科创中国

碳材料是目前主要的商业化锂离子电池负极和超级电容器电极，其储能能力受到碳材料比容量以及载流子传输能力的限制。杂原子掺杂可有效地提高碳材料电化学储能面积和活性位点数，但高杂原子含量会影响电极材料导电性。另外，金属氧化物/碳复合电极材料的比容量虽远高于碳电极，但充放电过程中的体积膨胀降低了其稳定性。 中国石油大学（华东）开展了碳基高性能电化学储能复合电极材料的开发，深入研究了杂化多孔碳及其金属氧化物复合材料的结构与储能的构-效关系，发明了新型杂化共轭多孔碳材料和竞争吸附再沉积调控金属氧化物纳米结构的制备方法，增强了碳材料与金属氧化物的结合力，并通过碳载体表面修饰、配体分子结构调控、纳米颗粒成核与生长的动力学控制，实现了高稳定性多层复合碳/金属氧化物纳米材料的可控制备。进一步通过高分子辅助实现金属氧化物/碳纳米复合材料的宏量制备，在杂化共轭多孔碳上化学“锚定”金属氧化物纳米晶，优化后的结构缩短了载流子迁移距离，使其兼具碳材料的高导电性和金属氧化物大容量等优点，同时克服了无机物充放电过程中的体积膨胀。 实现指标： 1. 首次制备了氮含量高达18 at%的大比表面积杂化碳电极（比表面4594 m2/g，同期有报道最高）； 2. 用于超级电容器在20A/g电流密度下比容量高达585 F/g，远高于商用超级电容器（约140 F/g）； 3. 用作负极显著提高了锂离子电池容量和倍率性，生产的电池可10C放电，质量能量密度达到了190Wh/kg（商业石墨负极容量的1.5倍），可稳定循环1000次。

（1）发明了新型杂化共轭多孔碳材料的制备方法，可作为载体材料增强了碳材料与金属氧化物的结合力，提高复合材料稳定性。首次制备了氮含量高达18 at%的大比表面积杂化碳电极（比表面4594 ㎡/g，同期有报道最高），在保证碳电极导电性的前提下引入大量杂原子，提高了碳材料的比容量。 （2）国际上首次发明了竞争吸附再沉积调控金属氧化物纳米结构的方法，通过碳载体表面修饰、配体分子结构调控、纳米颗粒成核与生长的动力学控制，实现了多层复合碳/金属氧化物纳米材料的可控制备。优化后的结构缩短了载流子迁移距离，因此具有超高的界面储能效率。用于超级电容器在20A/g电流密度下比容量高达585 F/g，远高于商用超级电容器（约140 F/g）。 （3）发明了高分子辅助金属氧化物/碳纳米复合材料的宏量制备方法。通过溶胶－凝胶、竞争吸附再沉积等方法调控材料纳米构型，在杂化共轭多孔碳上化学“锚定”了金属氧化物纳米晶。该复合材料兼具碳材料的高导电性和金属氧化物大容量等优点，同时克服了无机物充放电过程中的体积膨胀。用作负极显著提高了锂离子电池容量和倍率性，生产的电池可10C放电，质量能量密度达到了190Wh/kg（商业石墨负极容量的1.5倍），可稳定循环1000次。

随着能源和环境问题的日益突出，储能技术已成为全球关注的焦点。储能技术可以解决能源的间歇性和不稳定性，提高能源利用效率，减少环境污染。碳材料作为一种多功能的材料，具有资源丰富、导电性良好、孔隙结构丰富、比表面积高、催化活性等优点，是储能技术领域的研究热点，在锂离子电池、超级电容器、储氢和燃料电池等领域都有着广泛的应用前景，产品广泛应用于电动汽车、储能电站、智能电网等领域。通过研究和开发新型碳材料，想想碳材料在未来的能源存储领域将发挥越来越重要的作用。

中国石油大学（华东）地处青岛，是国家教育部直属全国"211”重点大学。学校学科设置涵盖工学等7大学科门类，学科专业覆盖石油石化工体水平处于国内领先地位。学校现有石油与天然气工程、地质资源与地质工程等2个国家"双一流"建设学科及全国查与勘探、油气井工程、油气田开发工程、化学工艺、油气储运工程等5个国家重点学科.目前学校重点支持面向新能源、新材料、海洋技术研发团队建设。

目前已经取得的收益：本项目开发的金属氧化物/多空碳纳米复合负极材料已经在上海空间电源研究所等两企业得到了应用，上海空间电源研究所采用本项目研发的负极材料制备的电池能量密度高达190 Wh/kg，可稳定循环1000次。生产的电池主要用于消费电子以及北斗导航等航天装备中，产生经济效益16617万元，新增利润2668万元。 本项目推动了能源化学、物理化学和材料化学学科的融合，为高性能二次电池提供了高效的电极材料和切实有效的制备技术，为清洁能源的综合利用奠定了基础。

通过技术转让、技术入股或技术合作的方式与合作方实现科研成果共享，转化方向为锂离子电池、超级电容器关键材料，提高其容量和循环稳定性，用于消费类电子产品、新能源汽车、航天器设备、电力通信、智能电网等。