李開喜團隊低值煤瀝青構筑高性能電容炭研究獲進展

　　焦化行業產生大量低值的煤瀝青副產品，如何使其高附加值化一直是各方關注的焦點，利用其灰分低、殘炭率高等特點而制備的多孔電極炭，可用于電化學儲能等新興能源領域。然而煤瀝青高溫成炭過程中需經歷液相炭化，故對其微觀形貌和孔隙結構的調控極其困難，加之稠環分子的反應惰性又使其炭產品表面化學性質難以裁剪。

　　近年來，中國科學院山西煤炭化學研究所702課題組研究員李開喜及其帶領的科研團隊，通過對瀝青分子精準設計，無模板構筑了一系列納米結構電極材料（圖1），組裝了高性能柔性全固態電容器和非對稱電容器，實現其能量密度和循環穩定性的顯著提升，且交聯自組裝策略還成功應用于瀝青基球狀活性炭生產線上，取得了基礎和應用雙突破。

　　對煤瀝青組成的精細化認識是其高效利用的前提，通過構建合適的溶劑體系將其切割為組成結構相近的各族組成，依據瀝青中喹啉可溶物族組分的分子特點，經磺化改性和常規活化后構筑了面向全固態的超級電容器應用的納米層狀炭（Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5(30):15869-15878；Fuel, 2019, 242: 184-194）。隨后，基于輕質族組分自發泡原理，實現蜂窩狀多孔炭形貌和中孔比例的調控，顯著增益其內部電解液傳質和表界面活性位點暴露效果（ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018, 7(2): 2116-2126）。為精準調控稠環分子間距，采用氧化交聯的方法接枝大量懸鍵，并以此為“抓手”促進分子可控自組裝，實現納米層狀炭微觀形貌和2~5 nm孔隙結構的同步控制，進一步提高其電化學儲能性質（Journal of Power Sources, 2019: 227446）。鑒于表面化學性質的定向設計和優化可有效改善炭材料電子特性和化學性質（ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11(14): 13214-13224），通過自由基誘導瀝青分子聚合以及在炭骨架結構中摻雜異原子，制備了N/S功能化堆疊式炭納米片（圖2）。組裝的非對稱全固態超級電容器在電流密度1A g-1時比電容為458 F g-1，其體積能量密度可達27 Wh L-1，功率密度為296 W L-1，在2萬次循環后容量衰減率僅為5.9%（圖3），非常適合狹窄空間應用場景（Energy Storage Materials, 2020, 26: 119-128）。

　　以上工作提出的煤瀝青基納米多孔炭材料的構筑策略，為探索大規模電化學儲能電極材料的低成本制備開辟了新的視野，并得到國家自然科學-山西省低碳聯合重點基金、山西省自然科學基金和山西省煤基重點科技攻關項目的支持。

圖1 從煤瀝青出發制備高性能電容炭示意圖

圖2 層堆疊納米炭材料微觀形貌和表面元素XPS、mapping分析

圖3 電化學性能表征