隨著新能源電動汽車的普及，續航里程已成為阻礙電動汽車發展的問題之一。如何制造出續航里程長、循環次數多又足夠安全的“超級電池”？

在今年的上海市科技獎勵大會上，憑借“富碳納米儲能材料的結構調控及其電化學行為”項目，楊俊和團隊獲得了上海市自然科學一等獎，為高效儲能器件的設計與制備提供了理論支撐。

攻關性能優異負極材料

上海理工大學材料科學與工程學院院長楊俊和教授告訴記者，近30年來，對于碳納米管、富勒烯、石墨烯等新型碳材料的科研突破，更是接連讓相關科學家獲得諾貝爾獎，新型碳材料的研究已經成為當下熱門的前沿科研領域。

碳材料和電池又有什么關系？原來，碳材料是電化學儲能器件的關鍵材料。從最早的干電池，到正在快速發展的鋰離子電池、超級電容器和其他新型儲能器件，無不把碳作為其關鍵材料之一。之所以如此，是因為碳材料的結構具有多樣性，適合于多尺度精準調控，而且具備高導電、高比表面等優點。為了找到合適的儲能材料，上理工團隊開始了對富碳納米儲能材料的研究。由于富碳材料結構多樣，難以精準控制和定向合成，對研究發展帶來了挑戰。

在對富碳材料進行設計和調控時，需要解決幾個核心問題：如何延長電池的續航里程，增加電池的循環次數，增強電池的安全性？為了解決儲能材料的這幾個核心問題，楊俊和教授帶領團隊就此展開攻關，取得了不少進展。比如，電化學電池的電極材料中，需要有一定的“孔”，能在充電時讓離子通過。這些孔應該是大是小，是圓是方？孔如何有序、有尺度地分布？對此，楊俊和團隊提出了π-π共軛誘導和原子摻雜策略。此外，團隊還闡明孔結構與表面化學對硫穩定作用的基本規律，發展基于納米限域和化學鍵合的合成策略。這解決了硫的導電性差、多硫化物在電解質中的溶解等關鍵問題，開辟了高性能安全鋰硫電池的新途徑。

團隊提出碳與活性組元維度匹配復合新思路及性能優化策略，制備出性能優異的電池負極材料。由此，他們為新型富碳納米復合儲能材料的制備提供了一套完整的理論，促進了該類材料在儲能電池和超級電容器領域的應用研究和相關學科的發展。

一開始就從產業化思考

“研究一開始，我們就從能產業化的大批量制備方向來思考其理論問題，這樣才能讓基礎科研成果真正投入應用。”記者注意到，項目研究成果除發表100多篇高水平學術論文外，還取得28項中國發明專利和3項國際專利。一項基礎研究成果，為何有這么多授權專利？楊俊和表示，團隊在做基礎科學研究的同時，始終沒有忘記目標是推動電池行業的發展。為了解決行業里的共性問題，他們在基礎研究科研攻關的同時，取得了一系列技術發明突破。這些專利也將變成電池制造領域的相關技術。

目前，相關項目正在推動產業化，團隊與中國新綸科技等國內外企業開展了合作，部分核心技術也是上海市石墨烯技術產業平臺首批入駐項目。據了解，一批石墨烯基電池材料已在中試階段，這些材料將用于超級電容器、鋰硫電池中，并運用在工業、生活等領域的方方面面。

鋰硫電池已成為新一代動力電源發展中的重點，鋰硫電池未來將代替鋰離子電池，這是國內普遍達成的共識。上理工這一研究成果有望解決電池材料問題，進一步推動國內鋰硫電池、超級電容器的產業化。值得一提的是，這也是我國科研團隊在基礎理論研究取得的一大進展。