通常，能量儲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、智能手機或電動車中，超級電容的應(yīng)用越來越多。超級電容與傳統(tǒng)電池能快速存儲大量的能量并迅速釋放不同，例如，當火車進站制動時，超級電容可以儲存制動產(chǎn)生的能量，并當火車啟動需要大量能量時再提供給它。

來源︱慕尼黑工業(yè)大學（TUM）

一個技術(shù)團隊和慕尼黑工業(yè)大學無機與金屬有機化學系Roland Fischer教授一起研發(fā)出了一款高效的超級電容。該儲能器件的本質(zhì)是一款新型的、強大的、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行了性能數(shù)據(jù)比較。

通常，能量儲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、智能手機或電動車中，超級電容的應(yīng)用越來越多。

超級電容與傳統(tǒng)電池能快速存儲大量的能量并迅速釋放不同，例如，當火車進站制動時，超級電容可以儲存制動產(chǎn)生的能量，并當火車啟動需要大量能量時再提供給它。

然后，超級電容還有一個需要解決的問題就是它們?nèi)鄙倌芰棵芏?。當鋰蓄電池的能量密度達到265千瓦時，超級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

該團隊和慕尼黑工業(yè)大學化學家Roland Fischer一起為超級電容開發(fā)了一款新型的、強大的同時也可以持續(xù)使用的石墨烯混合材料。它可以作為儲能器件的正極。研究人員將其與一種已被證實基于土衛(wèi)六（titian）和碳的負極相結(jié)合。

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

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雜、不斷進化和優(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)移到了超級電容上。以此為基礎(chǔ)，他們采用經(jīng)化學改良后的新型石墨烯儲存單元正極，并將其與納米結(jié)構(gòu)的有機金屬架構(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;

圖源：Nawa Technologies

強大且穩(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，另一個則為高導電性。論文第一作者，也是和Roland Fischer 一起工作的前客座科學家Jayaramulu Kolleboyina解釋說：“這種材料的高性能是基于微孔MOF和導電石墨烯酸的結(jié)合?！?/p>

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

通過巧妙的材料設(shè)計，研究人員實現(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擁有一個超大內(nèi)表面積，高達900平方米每克，并作為超級電容的正極具有很高性能。

長期穩(wěn)定性

事實上，這不是這種新材料的唯一優(yōu)勢。為了實現(xiàn)化學穩(wěn)定的化合物，需要成分間有很強的化學鍵。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：“事實上，我們曾把石墨烯酸和MOF氨基酸連接起來，形成了一種肽鍵?！?/p>

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

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

作為對比，一個傳統(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。

國際專家網(wǎng)絡(luò)

Fischer強調(diào)，在開發(fā)新型超級電容時，研究人員不受約束進行國際合作是多么重要。相應(yīng)的，Jayaramulu Kolleboyina組建了這個團隊。他是亞歷山大·馮·洪堡基金會邀請的來自印度的客座科學家，現(xiàn)在是位于查謨的新成立的印度理工大學化學系主任。

“我們的團隊成員還有來自巴塞羅那的電化學和電池研究專家以及捷克共和國的石墨烯衍生物專家，” Fischer說，“此外，我們還有來自美國和澳大利亞的合作伙伴。這種美妙的國際間合作讓未來充滿希望?！?/p>

這項研究得到了卓越電子轉(zhuǎn)換集群內(nèi)的德國研究協(xié)會（DFG）、亞歷山大·馮·洪堡基金會、印度工業(yè)大學、昆士蘭理工大學和澳大利亞研究理事會（ARC）的支持。進一步的資金支持來自捷克共和國教育、青年和體育部提供的歐洲區(qū)域發(fā)展基金。

責任編輯：xj