國家“青年千人計劃”專家、華中科技大學(xué)教授王帥研究團(tuán)隊長期致力于柔性材料及器件的研究，近期在超快柔性儲能研究方面取得突破性進(jìn)展。

據(jù)了解，超級電容器具有“使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、高充放電效率、高能量密度”的四大顯著特點，具有廣泛的應(yīng)用前景。因此，超級電容器的研究受到高度關(guān)注。目前，基于碳材料的雙電層電容器具有超高的功率密度，但其能量密度遠(yuǎn)低于可再充鋰離子電池;而基于過渡金屬氧化物的贗電容材料展現(xiàn)出較高的能量密度。將兩者完美結(jié)合構(gòu)建混雜型納米復(fù)合材料，既能克服各自的缺點又能發(fā)揮各自的優(yōu)勢，有望推進(jìn)高能量密度的超級電容器的工業(yè)化。

該研究團(tuán)隊成員呂其英博士在《納米快報》(Nano Letters)在線刊發(fā)了關(guān)于氮摻雜碳管/金摻雜二氧化錳的全固態(tài)薄膜超級電容器的研究論文，論文題目為《Solid-State Thin-Film Supercapacitors with Ultrafast Charge/Disge Based on N-Doped-Carbon-Tubes/Au- Nanoparticles-Doped-MnO2 Nanocomposites》(NanoLett.,2015,DOI:10.1021/acs.nanolett.5b02489)。此研究是采用模板法在碳布基底上組裝氮摻雜碳管/金摻雜二氧化錳的三維中空納米復(fù)合電極，并以此電極分別組裝成對稱和非對稱(多孔三氧化二鐵納米柱作為負(fù)極)的全固態(tài)薄膜超級電容器，充分利用納米材料的多方面優(yōu)勢加速電子在活性材料中的傳遞，進(jìn)而實現(xiàn)超級電容器的快速充電。這兩種薄膜器件均具有較高的功率密度和能量密度，更重要的是，所組裝的非對稱的全固態(tài)薄膜器件可展現(xiàn)出超快速充電能力(10V/s)，比常規(guī)電容器的充電時間快10-100倍，能在幾秒內(nèi)完成充電，且在經(jīng)過5000次充放電仍能保持97%的比電容。并且這種超級電容器有望與電池結(jié)合，組裝成混合型超級電容器，進(jìn)而實現(xiàn)工業(yè)化。這是國際上基于金屬氧化物贗電容薄膜型超級電容器研究領(lǐng)域的一個重大突破。

過渡金屬氧化物的贗電容材料的導(dǎo)電性普遍較差，嚴(yán)重制約了其性能以及在工業(yè)中的實際應(yīng)用。呂其英博士另辟蹊徑，采用電沉積方法在氧化鋅納米柱上生長金摻雜α-型二氧化錳納米復(fù)合膜，首次解決了α-型二氧化錳導(dǎo)電性差的缺點，為實現(xiàn)α-型二氧化錳在超級電容器中應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)和設(shè)計方向。此項研究是采用電沉積方法在氧化鋅納米柱上生長金摻雜α-二氧化錳納米復(fù)合膜，得到電化學(xué)性能優(yōu)異的三維納米復(fù)合材料，通過理論計算進(jìn)一步驗證了該方法能使金原子巧妙地?fù)诫s進(jìn)入α-二氧化錳的晶格，從本質(zhì)上提高了α-型二氧化錳的導(dǎo)電性，解決了α-型二氧化錳導(dǎo)電性差的缺點，實現(xiàn)了二氧化錳中的錳原子在能量存儲過程中的充分利用，因此，其質(zhì)量比電容(可達(dá)1305F/g)得到空前提高，與其理論電容值(1380F/g)非常接近。采用該納米復(fù)合材料作為陽極、石墨烯-碳納米管復(fù)合材料作為陰極，組裝成超級電容器器件，該器件具有較寬的工作電勢窗口(1.8V)和超高的能量密度(101Wh/kg)，該能量密度堪與鋰電池(100~200Wh/kg)相媲美。這種金原子摻雜α-型二氧化錳的方法簡單易控，可操作性強(qiáng)，且可以推廣到更為廣泛的儲能研究領(lǐng)域，比如鋰離子電池、燃料電池等。相關(guān)最新研究論文(《Ultrahigh Capacitive Performance of Three-Dimensional Electrode Nanomaterials Based on α-MnO2 Nanocrystallines Induced by Doping Au through A-Scale Channels》)被NanoEnergy接收。

上述工作是繼該團(tuán)隊的肖軍武副教授關(guān)于在高性能柔性高效電容器的設(shè)計和制備工作之后，在超級電容器領(lǐng)域取得的又一重要進(jìn)展。肖軍武副教授設(shè)計在柔性碳纖維上生長NiCo2S4納米管，再在納米管上沉積金屬氧化物或者氫氧化物，構(gòu)建三維金屬氧/硫化物納米復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，此類材料具有高的比電容(2.86F/cm2at4mA/cm2)和超高的比率(2.41F/cm2at20mA/cm2，比率高達(dá)84%)，該研究論文(《Design Hierarchical Electrodes with Highly Conductive NiCo2S4 Nanotube Arrays Grownon Carbon Fiber Paper for High-Performance Pseudocapacitors》)(NanoLett.2014,14,831-838)發(fā)表在《納米快報》(NanoLetters)上，是2014年度百篇最具有國際影響力的文章之一。

王帥教授除了在科研工作方面取得了重要進(jìn)展，助推了科技的發(fā)展，同時還為國家培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的科技人才。特別值得提出的是，和團(tuán)隊肖菲副教授合作指導(dǎo)的博士研究生張哲野從本科開始從事科研工作，截止到目前(五年制博士研究生的第二年)已經(jīng)發(fā)表關(guān)于柔性儲能材料及器件的論文15篇，累計影響因子超過100，其中第一作者論文12篇，部分論文被選為期刊封面或圖片新聞;申請專利11項，目前已經(jīng)獲權(quán)7項。同時張哲野博士還在全國大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”等科技競賽中榮獲眾多獎項。由于科研成績突出，還獲得“第九屆中國青少年科技創(chuàng)新獎”、湖北省首屆“長江學(xué)子”、湖北省首屆向上向善好青年之“創(chuàng)業(yè)創(chuàng)優(yōu)好青年”(全國向上向善好青年提名獎)、湖北省優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文、寶鋼優(yōu)秀學(xué)生特等獎、華中科技大學(xué)三好研究生標(biāo)兵、華中科技大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新活動標(biāo)兵等榮譽(yù)稱號。作為優(yōu)秀大學(xué)生代表也曾引起《中國青年報》、《光明日報》、《湖北日報》以及湖南衛(wèi)視等多家報社和媒體的關(guān)注，受到了高度的評價和贊揚(yáng)。

該研究團(tuán)隊的研究工作得到了中組部“青年千人計劃”、國家自然科學(xué)基金委、科技部、教育部、湖北省科技廳、湖北省楚天學(xué)者計劃和華中科技大學(xué)的支持。目前該團(tuán)隊正通過進(jìn)一步優(yōu)化電極材料，更大程度地提高超級電容器的能量密度和超快充電能力，探索其在能量存儲與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用。