隨著電動汽車、移動電子設備等技術的發展，研發新型大容量高功率的電儲能器件成為當務之急。目前，主流的電儲能器件為電池和電容器，他們分別具有高能量密度和高功率密度的特點。然而，這兩種儲能器件均不能同時滿足新設備對高功率和高能量的需求。為解決這一問題，在本世紀初科學家設計出了一種新型的儲能器件——復合性型電容器（hybrid supercapacitor， HSC）。HSC通常由電容性的正極和嵌鋰式負極組成，這能夠有效地將電池和電容器的優勢結合起來，使其同時具有較高能量密度和高功率密度。其中，正極材料往往是限制HSC性能發揮的關鍵因素之一。目前，對于正極材料的研究熱點主要集中在一些碳基材料上，例如活性炭，三維石墨烯等。然而，受到儲能機理等因素的限制，這類材料的性能提高受到了一定的限制。
圖1 復合式電容器的工作原理示意圖
近日，天津大學材料學院封偉教授課題組碩士研究生高毅等人獨辟蹊徑，創新地將新型納米導電聚合物作為正極材料引入到HSC儲能體系中，為HSC正極材料的研發提供了新的解決方案。研究人員采用化學氧化法將苯胺與2-氨基對苯二甲酸共聚，通過調整兩種單體的比例獲得了具有不同微觀形貌和電化學性能的共聚物材料。研究發現聚苯胺分子鏈上的羧基能夠增強主鏈上電子的離域效應，同時提高了分子鏈間的相互作用力，從而使得材料的電化學性能得到極大改善。另一方面，特殊的一維納米結構也有助于材料電化學性能的進一步提升。在半電池測試中，這種材料的最大放電電流達到50A/g，電化學性能優于目前報道的絕大多數碳基材料。以該材料為正極，中間相碳微球為負極組成的HSC儲能器件的能量密度達到153.9 Wh/kg，換用鈦酸鋰作為負極材料，在26.1 Wh/kg的能量密度下相應的儲能器件的功率密度達到了3011.5 W/kg，其能量密度和功率密度與目前報道的電池和電容器的性能相當。在未來的研究計劃中，科研人員設想將這種材料與其他無機材料進行復合，其性能將會有巨大的提升空間。
圖2 共聚物與文獻報道碳基材料的性能對比圖
此外，在研究中科研人員在傳統軟模板法的基礎上提出了一種新型的聚苯胺納米棒的制備工藝。他們將兩種單體在反應初期所形成的二聚體代替傳統的有機酸作為納米棒形成的模板，通過調控兩種單體的比例，來調控材料的微觀形貌，使得苯胺和2-氨基對苯二甲酸即作為聚合的單體，有起到納米棒成型模板的作用，避免了在分子鏈上引入分子量較高的有機酸或其他乳化劑分子，這對提高材料的容量密度有一定的幫助。這項創新為今后的聚合物納米材料的研究打開了思路。目前，相應的研究成果已經發表在RSC advance雜志上，DOI號：10.1039/C6RA27900G（http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/RA/C6RA27900G）
圖3 共聚物納米棒的成型原理示意圖
