硅酸鹽所的新材料到底是啥

今年9月,，中國科學院上海硅酸鹽研究所和北京大學合作研究，崔厚磊,、黃富強等研究者發(fā)現(xiàn)了一種全新的超級電容器性能優(yōu)異的氮化鈮電極材料——Nb4N5納米孔薄膜,，Nb4N5屬于四方晶系的I4/m空間群，為一種富含Nb空位缺陷的NaCl型結(jié)構(gòu),，具有極佳的電化學儲能特性,。Nb4N5納米孔薄膜的制備過程簡單,，只需對Nb箔在適當條件下進行陽極氧化,，隨后在NH3氣氛中熱處理,，即可制備出高度有序的Nb4N5納米孔陣列,。XPS 分析結(jié)果表明Nb4N5同時包含 Nb3+和 Nb5+,，混合價態(tài)陽離子的存在不僅產(chǎn)生了法拉第準電容,，而且還具備良好的類金屬的導電性和異常優(yōu)異的循環(huán)壽命——2000個循環(huán)伏安周期后電容保留率提高到接近100%,。

更重要的是該技術(shù)可作為良好支撐體來沉積其他活性材料,，組成復合電極，為開發(fā)設(shè)計新型的氮化物,、氧氮化物超電電極材料提供了良好思路,。本次黃富強教授研究團隊設(shè)計合成的氮摻雜的有序介孔石墨烯，有可能就是前者的衍生,。而且氮摻雜誘生了氧化還原反應(yīng),，也增加了電化學儲能活性，又沒有降低材料的高導電率,，因而氮摻雜的有序介孔石墨烯具有極佳的電化學儲能特性,，比容量高達855法拉/克，組裝成的對稱器件能快速充電和快速放電,。

圖片來源：北京大學化學與分子工程學院網(wǎng)站

一些媒體稱之為“石墨烯電池”,，其實并不準確，因為氮摻雜的有序介孔石墨烯目前被用于超級電容器,，而非鋰電池,。另外，石墨烯電池并非是對鋰電池的革命,，因為目前所謂石墨烯電池的儲能物質(zhì)依舊是鋰離子——石墨烯電池僅僅是將鋰電池的副極用石墨取代,，或者和正極、負極材料復合后,，提高鋰電池的充放電性能,，比如將正極材料LiFePO4、負極材料Li4Ti5O12分別與石墨烯復合,，制備了LiFePO4-石墨烯/Li4Ti5O12-石墨烯為電極的柔性鋰離子電池,，具有高充放電速率。雖然石墨烯材料具有諸多優(yōu)點,，應(yīng)用前景廣泛,，但目前網(wǎng)絡(luò)對石墨烯的神話和炒作已經(jīng)過猶不及。

新電極材料能帶來電動車革命嗎

其實使用超級電容器的電動公交車早已不是新鮮事,，早在2013年11月,，由中上汽車公司制造的超級電容純電動公交車就在湖南長沙星沙的101路公交線路上投入運行。據(jù)中上汽車公司技術(shù)人員介紹,，該車三分鐘可完成整車充電,，一次充電可行駛20公里，最高時速60公里,，在下坡和剎車時,，車輛可以將下坡釋放的勢能和剎車制動釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能為電容充電,。自動為電容充電在60℃至零下40℃的溫度下仍能正常運行，可反復充電5萬次以上,。

在今年4月，由中國南車株洲電力機車有限公司的30秒閃沖超級電容器電動車在寧波生產(chǎn)基地下線,，該車30秒充電后,，可行駛5公里，同樣具備將下坡釋放的勢能和剎車制動釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能的能力,，充放電次數(shù)可大100萬次,。

30秒閃沖公交車

從實踐的角度看，電動小型車大多采用能量密度較高的鋰電池,。而超級電容器往往應(yīng)用于體積較大,、可以走走停停到站充電的城市公交車。而采用氮摻雜的有序介孔石墨烯電極材料的超級電容器的能量密度也只有鋰電池的一半不到,，因此,，該新材料并不會對電動小型車帶來革命性變革。

至于使用新技術(shù)的公交車是否能跑35公里,，因為涉及電能——機械能轉(zhuǎn)化,，電動公交車的重量、尺寸,、載客量和內(nèi)部空間設(shè)計給電容器預留的空間大小,，以及所搭載的超級電容器的規(guī)格和路況，因而需要具體情況具體分析,。

北京大學化學與分子工程學院網(wǎng)站的一篇文章認為,，“若這種新型石墨烯所制備成水性電解液的超級電器，與目前有機電解液超級電器驅(qū)動的公共汽車相比,，行駛里程可以從5公里提高至25公里”,。

筆者也斗膽對于使用新材料的電動公交車做一個類比推測。根據(jù)中上汽車的官方資料,，超電純電動客車空載12噸（2噸超級電容）,，車長12米，座位34個,，限客100人,，一次充電3-6分鐘，行駛距離20公里,，其超級電容器的能量密度為10Wh/kg,，而使用氮摻雜的有序介孔石墨烯材料的超級電容器的能量密度可以達到41Wh/kg（基于活性物質(zhì)為63Wh/kg），雖然和鋰電池電動車100—150Wh/kg 的能量密度有較大差距,，但相對于以往的材料和技術(shù),，4-6倍的能量密度提升不可謂不大,。如果該電動車使用新技術(shù)，那么超級電容器的能量密度將是原來的4-6倍,，在其他規(guī)格不變的情況下,，也就意味著該電動公交車的所載的能源是原來的4-6倍，行駛距離大幅提升是必然的,，在不考慮路況等變量因素的情況下,，行駛距離從20公里提升到35公里將不再是夢想。