全球首款不含碳超级电容问世 储电潜力是碳基超级电容的3倍

安娜PARKER
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  超级电容因充放电速度快、功率密度高等因素成为能源储存系统的研究热门。目前超级电容都是利用比表面积大的碳基材料制成,比如碳纳米管、石墨烯以及活性炭等。如今,有科学家研制出了首个不含碳的超级电容,同时性能还超过了碳基材料。此不含碳基的电容材料优化后,储电潜力可能是目前碳基超级电容的3倍。

  英国当地时间10月10日,上述研究成果在权威杂志《自然》的子刊《自然材料》(Nature Materials)上在线发表。研究者为美国麻省理工学院(MIT)化学系的副教授Mircea Dinc?等6人的团队。

  以往的含碳的超级电容一般在生产过程中需要800℃以上的高温以及刺激性强的化学物质,新的不含碳超级电容则不需要。

  Mircea Dinc?的团队研制出的不含碳的超级电容,是用一种金属—有机框架材料的(metal-organicframe works,MOFs)Ni3(HITP)2代替此前的含碳材料。MOFs具有像海绵一样的多孔性结构,其表面积比碳基材料大很多,而超大表面积对于超级电容性能表现非常重要。因为超级电容的电容和充电—放电速率分别与表面积和电导率成比例,所以在超级电容中一般尽可能选用比表面积大的材料。不过,MOFs有一个大的缺陷,它们没有超级电容要求的电子传导性。Mircea Dinc?表示,虽然他们认为让MOFs具有导电性被认为极其困难,但他们最终展现了MOFs非常好的离子传导性能。

  测试表明,新超级电容充放电1万次后储能损失不到10%,在许多关键性能参数的表现上,已经相当于甚至超越了现有的碳基材料的超级电容。

  不过,Mircea Dinc?称,这还只是个开始,MOFs材料还有很大的优化潜力。因为MirceaDinc?使用的MOFs是已知的最低表面积的MOFs之一,并且这些MOFs材料中的一些比表面积可以是碳基材料的三倍,相对应储电性能将会提高很多。

  Mircea Dinc?称,“目前的双电层电容器都是碳基材料的,我们这是第一个非碳的双电层超级电容。”比利时鲁汶天主教大学的化学教授Alexandru Vlad称,从科学和应用的角度来看,这是个非常重要的发现。他补充说,超级电容器不会再单是由碳基材料主导了。现在Mircea Dinc?等人提供的突破:他们设计了具有高表面积和高触点性能的MOFs电容,从而挑战了超级电容器此前的价值链。

  Mircea Dinc?表示,除了比碳基材料稍贵外,MOFs的优势明显,比表面积大,生产中的温度和化学条件都不再严苛,比较容易得到。未来除了用于超级电容外,MOFs还能用于储存天然气、生产可调节亮度的窗户以及医用或安全性检测的化学探测器。

  如果MOFs的超级电容将来用在汽车上,充电将不再是电动车推广的瓶颈。此外,该团队也表示,超级电容器具有更高的储电能力,同样可以在可再生能源的广泛发展中发挥重要作用。同时,超级电容器储能系统还可以在负荷低落时储存电源的多余电能,而在负荷高峰时回馈给微电网以调整功率需求,对微电网起到必要的能量缓冲作用。

  不过,完美的电容材料比电池电极材料更难研发。此次Mircea Dinc?团队研发的全新不含碳的超级电容或将给超级电容的发展带来一抹亮色。

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