通常,能量?jī)?chǔ)存與電池和蓄電池相關(guān),它們?yōu)?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/電子設(shè)備" target="_blank">電子設(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)需要解決的問題就是它們?nèi)鄙倌芰棵芏取.?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,通過各種材料的自然組合得到優(yōu)化?!?/p>
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:“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?!?/p>
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,形成了一種肽鍵?!?/p>
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,“此外,我們還有來自美國(guó)和澳大利亞的合作伙伴。這種美妙的國(guó)際間合作讓未來充滿希望?!?/p>
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。
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