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研究人员利用石墨烯混合材料制超级电容器 1万次充放电循环后仍保持90%容量

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58京牌 ,德国慕尼黑工业大学(Technical University Munich,TUM)的合作团队研发出一款超高效超级电容器。该款储能装置以新颖、强大且具可持续性的石墨烯混合材料为基础,性能数据与当前使用的电池相当。

由MOF与石墨烯酸制成的石墨烯混合材料(图片来源:慕尼黑工业大学)

通常,储能设备与为电子设备提供能量的电池以及蓄电池相关。不过,如今越来越多的笔记本电脑、手机或汽车开始安装超级电容器。

与电池不同,超级电容器能够快速存储大量的能量,并以同样快的速度释放大量能量。例如,如果列车进站时刹车,超级电容器就会存储能量,并在列车启动需要快速得到大量能量时将能量提供给列车。

但是,迄今为止,超级电容器都有一个问题,即能量密度不足。锂蓄电池的能量密度可高达265 KW/h,而超级电容器的能量密度只达其十分之一。

可持续性材料提供高性能

现在,与慕尼黑工业大学合作的团队为超级电容器研发了一种新颖、强大且具可持续性的石墨烯混合材料,可在储能设备中充当正极。研究人员正将其与基于钛和碳制成的负极相结合。

此种新型储能设备不仅能量密度能够达到73 Wh/kg(与镍金属氢电池的能量密度相当),而且比现有大多数其他超级电容器的性能更优,功率密度达16 kW/kg。该款新型超级电容器的秘诀是其结合了各种不同的材料,因此化学家将其称为“非对称”超级电容器。

混合材料:大自然就是模范

研究人员利用一种新策略——混合材料来克服标准材料的性能限制。研究人员表示:“自然界中充满了复杂、因进化而得到优化的材料,如骨头和牙齿,此类材料的硬度和弹性等机械性能都通过与各种材料的自然组合而得到了优化。”

研究团队将结合基础材料的抽象概念转移应用于超级电容器。在此基础上,他们在该储能设备中采用了在化学性能上得到优化的石墨烯正极,将其与纳米结构金属有机框架材料,即MOF相结合。

强大且稳定

石墨烯混合材料一方面具有较大的比表面积和可控的孔径大小,另一方面还有较高的导电率,也是该款超级电容器达到较高性能的决定性因素。

由MOF与石墨烯酸制成的石墨烯混合材料(图片来源:慕尼黑工业大学)

较大的比表面积对于实现良好的超级电容器至关重要,能够让材料内部各自收集较大数量的载流子,这也是存储电能的基本工作原理。

利用巧妙的材料设计,研究人员将石墨烯酸与MOF联系在一起,最终得到的混合MOF具有非常大的内表面积,可达900平方米/克,能作为超级电容器的高性能正极。

长时间的稳定性

不过,这也不是该种新材料的唯一优点。为了实现一种化学上具有稳定性的混合材料,材料的不同成分之间需要强大的化学键,与蛋白质和氨基酸之间的化学键相同。因此,研究人员将石墨烯酸与一种MOF氨基酸连接起来,从而形成了一种肽键。

纳米结构组件之间的稳定连接在实现长期稳定性方面具有巨大的优势,此类化学键越稳定,充放电循环的次数就会越多,而且不会对储能设备的性能造成显著损害。

相比之下,普通锂蓄电池的使用寿命约为5000次充放电循环,而慕尼黑工业大学研发的新型超级电容器即使在1万次充放电循环后,仍可以保留近90%的容量。

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