通常,能量储存与电池和蓄电池相关,它们为电子设备提供能量。然而最近,在笔记本电脑、相机、智能手机或电动车中,超级电容的应用越来越多。超级电容与传统电池能快速存储大量的能量并迅速释放不同,例如,当火车进站制动时,超级电容可以储存制动产生的能量,并当火车启动需要大量能量时再提供给它。

一个技术团队和慕尼黑工业大学无机与金属有机化学系Roland Fischer教授一起研发出了一款高效的超级电容。该储能器件的本质是一款新型的、强大的、可持续使用的石墨烯混合材料,并已将其与目前正被使用的电池进行了性能数据比较。

通常,能量储存与电池和蓄电池相关,它们为电子设备提供能量。然而最近,在笔记本电脑、相机、智能手机或电动车中,超级电容的应用越来越多。

超级电容与传统电池能快速存储大量的能量并迅速释放不同,例如,当火车进站制动时,超级电容可以储存制动产生的能量,并当火车启动需要大量能量时再提供给它。

然后,超级电容还有一个需要解决的问题就是它们缺少能量密度。当锂蓄电池的能量密度达到265千瓦时,超级电容目前为止只有其十分之一的能量密度。

可持续材料提供高性能

该团队和慕尼黑工业大学化学家Roland Fischer一起为超级电容开发了一款新型的、强大的同时也可以持续使用的石墨烯混合材料。它可以作为储能器件的正极。研究人员将其与一种已被证实基于土卫六(titian)和碳的负极相结合。

这种新型储能器件不仅能达到73Wh/kg的能量密度(大约相当于镍氢电池的能量密度),也比大多只有16kW/kg能量密度的超级电容具有更好的性能。这款新型超级电容的奇妙之处在于结合了不同种的材料,因此,化学家将该超级电容称为“不对称电容”。

混合材料:自然是榜样

研究人员押注于一种新的策略来克服传统材料的性能限制,即采用混合材料。Roland Fischer 表示:“大自然充满了高度复杂、不断进化和优化的混合材料,骨头和牙齿就是很好的例子。它们的机械性能,如硬度和弹性,通过各种材料的自然组合得到优化。”

研究小组将组合基础材料的抽象想法转移到了超级电容上。以此为基础,他们采用经化学改良后的新型石墨烯储存单元正极,并将其与纳米结构的有机金属架构相结合,即所谓的MOF。

图:3D 纳米结构电极具有诸多优点;

强大且稳定

决定石墨烯混合材料性能的因素一是大比表面积和可控孔径,另一个则为高导电性。论文第一作者,也是和Roland Fischer 一起工作的前客座科学家Jayaramulu Kolleboyina解释说:“这种材料的高性能是基于微孔MOF和导电石墨烯酸的结合。”

大表面积对于好的超级电容至关重要。它可以允许在材料中分别收集大量的电荷载体,这是电能储存的基本原理。

通过巧妙的材料设计,研究人员实现了将石墨烯酸和MOF连接起来的壮举。由此产生的混合MOF拥有一个超大内表面积,高达900平方米每克,并作为超级电容的正极具有很高性能。

长期稳定性

事实上,这不是这种新材料的唯一优势。为了实现化学稳定的化合物,需要成分间有很强的化学键。这些键显然和蛋白质中氨基酸之间的键相同,Fischer表示:“事实上,我们曾把石墨烯酸和MOF氨基酸连接起来,形成了一种肽键。”

图:化学改性的石墨烯作为新型超级电容器的正极,并将其与纳米结构的金属有机框架相结合

纳米结构器件间的稳定连接在长期稳定性方面具有巨大优势。键越稳定,充放电次数就越多,而不会对性能造成明显影响。

作为对比,一个传统的锂蓄电池的使用寿命约为5000次充放电循环。而由慕尼黑工业大学研究人员开发的新型电池即使在充放电10,000次后仍有接近90%的容量。

国际专家网络

Fischer强调,在开发新型超级电容时,研究人员不受约束进行国际合作是多么重要。相应的,Jayaramulu Kolleboyina组建了这个团队。他是亚历山大·冯·洪堡基金会邀请的来自印度的客座科学家,现在是位于查谟的新成立的印度理工大学化学系主任。

“我们的团队成员还有来自巴塞罗那的电化学和电池研究专家以及捷克共和国的石墨烯衍生物专家,” Fischer说,“此外,我们还有来自美国和澳大利亚的合作伙伴。这种美妙的国际间合作让未来充满希望。”

这项研究得到了卓越电子转换集群内的德国研究协会(DFG)、亚历山大·冯·洪堡基金会、印度工业大学、昆士兰理工大学和澳大利亚研究理事会(ARC)的支持。进一步的资金支持来自捷克共和国教育、青年和体育部提供的欧洲区域发展基金。