上海交大黄富强/林天全团队分子级调控！π型微孔芳烃新型碳材料突破锂超容容量电压双瓶颈

纳米人

2025-06-09

锂超容是融合锂电高能量密度与超级电容器高功率密度的新型储能器件，碳材料是长期制约其性能提升的核心。上海交通大学材料学院讲席教授黄富强、研究员林天全联合团队及其合作者成功研发出一类π共轭微孔新型锂超容碳材料，放电电压高达3.13V，比容量为商用活性炭YP50的2.5倍（241mAh/g），倍率高达50A/g，由此集成的对称型锂超容器件能量密度458Wh/kg、功率密度100kW/kg，不仅破解了锂超容传统碳材料容量与电压瓶颈，其简便合成工艺更为实现核心材料进口替代提供了产业新可能。

该研究近日在线发表于国际期刊《先进材料》（Advanced Materials），上海交通大学2022级致远计划直博生魏晨昱和助理研究员张世从为第一作者。

锂超容传统碳材料采用日本东丽垄断的商用活性炭YP50因受限于双电层电容物理储能机制，电荷仅存储在材料表面与电解液的界面，离子吸附效率低，理论容量上限仅为100mAh/g。此外，传统碳材料边缘常存在带负电的含氧官能团（如羟基、羧基），对电解液中的阴离子（如ClO₄⁻）会产生排斥作用，容量提升困难。虽然YP50具有极高的比表面积、微孔结构丰富，但由于孔径分布不均，离子扩散效率低，材料在高电流下性能仍会骤降。如何突破双电层储能机制瓶颈，通过革新材料设计方法，引入可与离子发生强相互作用的活性位点，实现电荷在材料表面及近表面的高效存储成为攻关的重点。

该研究团队创新性采用亚石墨型多环芳烃（PAH）作为构建单元，通过Suzuki偶联反应合成出PPe、PPy、PAn等一类π共轭微孔新型锂超容碳材料，其突出优势在于：其一，超大π共轭平面使电子可在平面内快速迁移，传输速率比小分子共轭材料提高1–2个数量级，电导率达2.39×10⁻⁸S/m，实现高速电荷传输；其二，材料边缘精准保留大量C(sp²)–H活性位点，可与电解液中的ClO₄⁻阴离子形成氢键吸附，实现高效赝电容储能。测试结果表明，这种新型碳材料比容量241mAh/g，是商用活性炭96mAh/g的2.5倍。其三，传统碳材料因边缘被含氧官能团占据易引发产气等问题，工作电压被限制于4.0V以下，新型碳材料通过减少含氧官能团并构建超大π共轭平面，将平均工作电压提升至3.13V，且4.2V高压下无显著副反应。其四，0.6~1.5nm的规则微孔结构精准匹配电解液离子尺寸，孔道分布均匀，离子扩散路径短，50A/g超高电流密度下，容量保持率达21.6%（52mAh/g），快充潜力突出。

研究团队进一步集成出正负极均采用该新型碳材料的对称型锂超容器件，通过“氧化-还原”反应分别吸附阴离子（ClO₄⁻）和阳离子（Li⁺），实现电荷平衡，简化了器件组装流程。测试结果显示，能量密度458Wh/kg，功率密度突破100kW/kg，实现有文献报道以来对称型锂超容最佳性能。

《先进材料》审稿人评价，该研究通过精准调控碳材料的电子结构与孔隙分布，实现了双电层与赝电容机制的协同效应，为锂超容储能器件设计提供了新范式。

据了解，π共轭微孔新型锂超容碳材料在材料制备方面采用全有机合成工艺，无需高温活化和复杂掺杂即可适配现有活性炭产线升级。对此，产业界认为，材料的规模量产将突破我国锂超容核心碳材料对进口的长期依赖。应用落地后，在新能源动力汽车领域有望实现高快充长续航；在新型电力系统储能领域，高功率密度可大幅提升调频响应速度；在消费电子领域有望助力推出兼具高续航与快充能力的新型电池，解决安全与效率痛点。

图 共轭微孔烃类化合物的分子设计与电化学性能

文献信息：

C. Wei, S. Zhang, M. Xu, Y. Xu, T. Li, Y. Shen, J. Cai, X. Dong, H. Ma, T. Zhang, F. Yu, F. Huang, T. Lin, π-Conjugated Microporous Hydrocarbon Electrodes for High-Capacity and High-Voltage Lithium-Ion Capacitors. Adv. Mater. 2025, 2501493. 

https://doi.org/10.1002/adma.202501493