超級(jí)電容向傳統(tǒng)電池發(fā)起挑戰(zhàn)

通常，能量?jī)?chǔ)存與電池和蓄電池相關(guān)，它們?yōu)殡娮釉O(shè)備提供能量。然而最近，在筆記本電腦、相機(jī)、智能手機(jī)或電動(dòng)車中，超級(jí)電容的應(yīng)用越來(lái)越多。超級(jí)電容與傳統(tǒng)電池能快速存儲(chǔ)大量的能量并迅速釋放不同，例如，當(dāng)火車進(jìn)站制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容可以儲(chǔ)存制動(dòng)產(chǎn)生的能量，并當(dāng)火車啟動(dòng)需要大量能量時(shí)再提供給它

一個(gè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)和慕尼黑工業(yè)大學(xué)無(wú)機(jī)與金屬有機(jī)化學(xué)系Roland Fischer教授一起研發(fā)出了一款高效的超級(jí)電容。該儲(chǔ)能器件的本質(zhì)是一款新型的、強(qiáng)大的、可持續(xù)使用的石墨烯混合材料，并已將其與目前正被使用的電池進(jìn)行了性能數(shù)據(jù)比較。

通常，能量?jī)?chǔ)存與電池和蓄電池相關(guān)，它們?yōu)殡娮釉O(shè)備提供能量。然而最近，在筆記本電腦、相機(jī)、智能手機(jī)或電動(dòng)車中，超級(jí)電容的應(yīng)用越來(lái)越多。

超級(jí)電容與傳統(tǒng)電池能快速存儲(chǔ)大量的能量并迅速釋放不同，例如，當(dāng)火車進(jìn)站制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容可以儲(chǔ)存制動(dòng)產(chǎn)生的能量，并當(dāng)火車啟動(dòng)需要大量能量時(shí)再提供給它。

然后，超級(jí)電容還有一個(gè)需要解決的問(wèn)題就是它們?nèi)鄙倌芰棵芏?。?dāng)鋰蓄電池的能量密度達(dá)到265千瓦時(shí)，超級(jí)電容目前為止只有其十分之一的能量密度。

可持續(xù)材料提供高性能

該團(tuán)隊(duì)和慕尼黑工業(yè)大學(xué)化學(xué)家Roland Fischer一起為超級(jí)電容開(kāi)發(fā)了一款新型的、強(qiáng)大的同時(shí)也可以持續(xù)使用的石墨烯混合材料。它可以作為儲(chǔ)能器件的正極。研究人員將其與一種已被證實(shí)基于鈦（titan）和碳的負(fù)極相結(jié)合。

這種新型儲(chǔ)能器件不僅能達(dá)到73Wh/kg的能量密度（大約相當(dāng)于鎳氫電池的能量密度），也比大多只有16kW/kg能量密度的超級(jí)電容具有更好的性能。這款新型超級(jí)電容的奇妙之處在于結(jié)合了不同種的材料，因此，化學(xué)家將該超級(jí)電容稱為“不對(duì)稱電容”。

圖：據(jù)《科技日?qǐng)?bào)》報(bào)道，廣州有軌電車使用超級(jí)電容，充電僅用30秒

混合材料：自然是榜樣

研究人員押注于一種新的策略來(lái)克服傳統(tǒng)材料的性能限制，即采用混合材料。Roland Fischer 表示：“大自然充滿了高度復(fù)雜、不斷進(jìn)化和優(yōu)化的混合材料，骨頭和牙齒就是很好的例子。它們的機(jī)械性能，如硬度和彈性，通過(guò)各種材料的自然組合得到優(yōu)化?！?

研究小組將組合基礎(chǔ)材料的抽象想法轉(zhuǎn)移到了超級(jí)電容上。以此為基礎(chǔ)，他們采用經(jīng)化學(xué)改良后的新型石墨烯儲(chǔ)存單元正極，并將其與納米結(jié)構(gòu)的有機(jī)金屬架構(gòu)相結(jié)合，即所謂的MOF。

圖：3D 納米結(jié)構(gòu)電極具有諸多優(yōu)點(diǎn)；

圖源：Nawa Technologies

強(qiáng)大且穩(wěn)定

決定石墨烯混合材料性能的因素一是大比表面積和可控孔徑，另一個(gè)則為高導(dǎo)電性。論文第一作者，也是和Roland Fischer 一起工作的前客座科學(xué)家Jayaramulu Kolleboyina解釋說(shuō)：“這種材料的高性能是基于微孔MOF和導(dǎo)電石墨烯酸的結(jié)合?！?

大表面積對(duì)于好的超級(jí)電容至關(guān)重要。它可以允許在材料中分別收集大量的電荷載體，這是電能儲(chǔ)存的基本原理。

通過(guò)巧妙的材料設(shè)計(jì)，研究人員實(shí)現(xiàn)了將石墨烯酸和MOF連接起來(lái)的壯舉。由此產(chǎn)生的混合MOF擁有一個(gè)超大內(nèi)表面積，高達(dá)900平方米每克，并作為超級(jí)電容的正極具有很高性能。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性

事實(shí)上，這不是這種新材料的唯一優(yōu)勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)化學(xué)穩(wěn)定的化合物，需要成分間有很強(qiáng)的化學(xué)鍵。這些鍵顯然和蛋白質(zhì)中氨基酸之間的鍵相同，F(xiàn)ischer表示：“事實(shí)上，我們?cè)咽┧岷蚆OF氨基酸連接起來(lái)，形成了一種肽鍵?！?

圖：化學(xué)改性的石墨烯作為新型超級(jí)電容器的正極，并將其與納米結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)框架相結(jié)合

納米結(jié)構(gòu)器件間的穩(wěn)定連接在長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。鍵越穩(wěn)定，充放電次數(shù)就越多，而不會(huì)對(duì)性能造成明顯影響。

作為對(duì)比，一個(gè)傳統(tǒng)的鋰蓄電池的使用壽命約為5000次充放電循環(huán)。而由慕尼黑工業(yè)大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)的新型電池即使在充放電10,000次后仍有接近90%的容量。

國(guó)際專家網(wǎng)絡(luò)

Fischer強(qiáng)調(diào)，在開(kāi)發(fā)新型超級(jí)電容時(shí)，研究人員不受約束進(jìn)行國(guó)際合作是多么重要。相應(yīng)的，Jayaramulu Kolleboyina組建了這個(gè)團(tuán)隊(duì)。他是亞歷山大·馮·洪堡基金會(huì)邀請(qǐng)的來(lái)自印度的客座科學(xué)家，現(xiàn)在是位于查謨的新成立的印度理工大學(xué)化學(xué)系主任。

“我們的團(tuán)隊(duì)成員還有來(lái)自巴塞羅那的電化學(xué)和電池研究專家以及捷克共和國(guó)的石墨烯衍生物專家，” Fischer說(shuō)，“此外，我們還有來(lái)自美國(guó)和澳大利亞的合作伙伴。這種美妙的國(guó)際間合作讓未來(lái)充滿希望?！?

這項(xiàng)研究得到了卓越電子轉(zhuǎn)換集群內(nèi)的德國(guó)研究協(xié)會(huì)（DFG）、亞歷山大·馮·洪堡基金會(huì)、印度工業(yè)大學(xué)、昆士蘭理工大學(xué)和澳大利亞研究理事會(huì)（ARC）的支持。進(jìn)一步的資金支持來(lái)自捷克共和國(guó)教育、青年和體育部提供的歐洲區(qū)域發(fā)展基金。