近日，日本東北大學(xué)的一支科研團隊開發(fā)出一種新材料，它可用于制造工作電壓更高的超級電容，且比其他材料更穩(wěn)定。

背景

如今，節(jié)能環(huán)保越來越受到重視。作為一種新型儲能元件，超級電容（Supercapacitor）引起了人們的廣泛關(guān)注。

超級電容，又名電化學(xué)電容，雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是從上世紀七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學(xué)元件。它是一種介于普通電容與電池之間的一種元器件，由于儲能的過程中沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以這種電容充放電可多達數(shù)十萬次。

超級電容具有一個正極和一個負極，兩個電極之間有一層隔膜，在正負極和隔膜之間以電解液填充，多孔化的電極具有更大的表面積去吸附電解液的電荷，因此容量可以達到很大。

超級電容的原理示意圖

超級電容具有成本低、耐低溫、功率密度高、充電速度快、使用壽命長、環(huán)境友好等優(yōu)勢。因此，超級電容可應(yīng)用于一系列領(lǐng)域，例如汽車、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療、備用電源、機械裝置、智能儀表等。

配備超級電容的豐田混合動力賽車TS040

打印在紡織品上石墨烯超級電容

可是在能量密度要求較高、工作周期較長的應(yīng)用場景中，超級電容可能會存在一些不足之處。第一，能量密度低，超級電容能量密度約為大多數(shù)蓄電池的20%左右，這就意味著存儲相同的電量，超級電容器的體積要比蓄電池要大很多；第二，耐壓低，目前的超級電容耐壓遠低于普通電容，電壓大約為1伏~3伏，不利于驅(qū)動大功率設(shè)備。

長期以來，科學(xué)家們一直在為可滿足能源密集型應(yīng)用（例如汽車）需求的超級電容尋找高性能材料。日本東北大學(xué)材料科學(xué)家、相關(guān)論文合著者之一的HirotomoNishihara表示：“找到既能在高電壓下又能在嚴苛環(huán)境下運行的材料，非常具有挑戰(zhàn)性。”

創(chuàng)新

近日，日本東北大學(xué)的一支科研團隊開發(fā)出一種新材料，它可用于制造工作電壓更高的超級電容，且比其他材料更穩(wěn)定。他們的研究最近發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)（EnergyandEnvironmentalScience）》期刊上。

（圖片來源：參考資料【2】）

Nishihara及其同事們與超級電容制造公司（TOCCapacitorCo.）合作開發(fā)出一種新材料，它在高溫、高電壓條件下具備超高穩(wěn)定性。

新材料

按照慣例來說，超級電容的電極采用的是活性碳，但是電容基本構(gòu)建模塊單元中的低電壓卻限制了這些超級電容的應(yīng)用。這意味著，大量的單元必須被堆疊到一起，實現(xiàn)所需的電壓。重點是，新材料具備更高的單元電壓，可減少堆疊的數(shù)量，使設(shè)備變得更加緊湊。

開發(fā)出來的GMS薄片以及連接兩個LED的超級電容（圖片來源：HirotomoNishihara）

新材料是由一個連續(xù)的石墨烯介孔海綿（含有納米孔的碳基材料）三維框架組成。這種材料的關(guān)鍵特征是無縫的：它含有非常少量的碳邊緣（腐蝕反應(yīng)產(chǎn)生的地方），這使得它變得非常穩(wěn)定。

研究人員們通過電子顯微鏡以及一系列物理測試（包括X射線衍射和振動光譜技術(shù)），研究了他們的新材料的物理特性。他們也通過活性碳作為對比基準，測試了商用的石墨烯基材料，包括單壁碳納米管、還原的氧化石墨烯、三維石墨烯。

技術(shù)

他們展示了，這種材料在傳統(tǒng)有機電解液中“60°C高溫與3.5伏高電壓”條件下，以及“25°C與4.4伏”的條件下，都具有卓越的穩(wěn)定性。更進一步說，它在4.4伏電壓條件下具有比傳統(tǒng)活性碳材料高2.7倍的能量密度。Nishihara表示：“這創(chuàng)造了對稱超級電容中的碳材料電壓穩(wěn)定性的世界記錄。”

這種新材料為開發(fā)高度耐用、高電壓的超級電容器鋪平了道路，并將應(yīng)用于包括機動車輛在內(nèi)的許多領(lǐng)域。