对清洁电力、运输和便携式设备而言，能量存储是该领域发展面临的最主要瓶颈。锂离子电池和电化学超级电容器等是目前最具前景的能量存储设备，已在诸多领域发挥了重要作用。近年来，超级电容器由于高功率密度、长服役寿命，锂离子电池由于高能量密度，受到了密切关注。此外，两者亦可作为太阳能电池的增强器件，存储太阳能发电产生的电能。 

　　一、研究内容 

• 超级电容器

1. 多孔石墨烯的结构设计与高功率储能应用 
2. 超轻、超强三维石墨烯与高功率储能应用 
3. “双高”储能材料与器件应用研究 

• 高性能锂离子电池 

1. 高质量石墨烯粉体与高比能量锂离子电池应用 
2. 阴阳离子混合活性电极材料的设计制备和器件研究 
3. 石墨烯在动力锂电池中的应用系统开发 

　　二、代表成果 

　　最近二十年，锂离子电池和超级电容器无论是在理论还是在实用研究领域都取得了很大的进步。同时，大家也逐渐意识到能量密度的进一步提高和循环寿命的增加已成为这两类器件发展面临的巨大挑战。为了解决低能量密度的问题，一个重要的研究方向就是寻找新型高效的电极材料，本课题组针对这一问题，从传统的碳材料出发，采用异质原子掺杂技术，实现了高比电容电极材料及高能量密度器件的设计制备。 

　　1. 超级电容器 

　　基于协调互为制约的电荷大量储存（高能量）和快速吸/脱附（高功率），提出了新的电化学机理，设计兼具“双高”的电极材料结构，构建了高能量密度、高功率密度、长寿命、安全可靠的理想储能器件。基于多尺度构效的基因组理论，发现突破现有材料性能极限的关键因素，开发高性能电极材料和电解液；认识电极与电解液之间的微观储能机制，探明界面吸附、电化学反应等热力学与动力学过程的协同关系；掌握在少层碳限域结构中质子赝电容的反应机制、以及质子型器件的界面结构设计的创新方法；掌握质子型器件的结构设计与制备、服役环境下的测试应用评估、失效机制与自修复技术。 

　　创造性地设计合成了一种具有高比表面积的氮掺杂有序介孔少层碳材料，其碳的sp2杂化程度高达98%，厚度少于5个原子层，具有优异的三维微观导电性能；其高比表面积特性可增加电极的双电层电容；而氮掺杂则进一步引入了氧化还原反应，既增加了电化学储能活性，又能保持高导电率。比容量达855 F g^？1，功率密度高达26 kW kg^？1，以此材料构建的储能器件的能量密度为41 Wh kg^？1，采用环保水基电解液替代有毒有害的有机体系，提升了器件的安全性与可靠性。该重要发现为设计高电化学活性的电极材料提供新思路。 

　　

高比表面积氮掺杂有序介孔少层碳材料在储能中的应用（Science 2015, 350, 1508）

新型纳米多孔石墨烯具有优良的储能特性（Nano Lett. 2016, 16, 349） 

　　新型碳氮材料的储能应用（Adv. Mater. 2017, 10.1002/adma.201701674） 

　　2. 高性能锂离子电池 

　　近年来，为了满足高能量密度锂离子电池的要求，开发高比容量的正极材料成为了锂离子电池研究的热点和难点。开发石墨烯在动力锂电池中的应用系统，进行产学研一站式平台建设。除了常规阳离子变价贡献锂电池容量外，引入活性阴离子电对，可进一步提高比容量。课题组拟开展基于阴阳离子混合活性电极材料的设计制备和器件研究。 

　　 

　　新型SnO₂基锂电负极材料具有高容量/高循环稳定性（Adv. Mater. 2017, 29, 1700136）

石墨烯基动力锂电池中试生产线及电池产品