導讀

近日，日本東北大學的一支科研團隊開發出一種新材料，它可用於製造工作電壓更高的超級電容，且比其他材料更穩定。

背景

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

超級電容，又名電化學電容，雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是從上世紀七、八十年代發展起來的透過極化電解質來儲能的一種電化學元件。它是一種介於普通電容與電池之間的一種元器件，由於儲能的過程中沒有發生化學反應，所以這種電容充放電可多達數十萬次。

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（圖片來源：維基百科）

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、環境友好等優勢。因此，超級電容可應用於一系列領域，例如汽車、可穿戴裝置、醫療、備用電源、機械裝置、智慧儀表等。

配備超級電容的豐田混合動力賽車TS040（圖片來源：維基百科）

列印在紡織品上石墨烯超級電容（圖片來源：曼徹斯特大學）

可是在能量密度要求較高、工作週期較長的應用場景中，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蓄電池的20%左右，這就意味著儲存相同的電量，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於普通電容，電壓大約為1伏~3伏，不利於驅動大功率裝置。

長期以來，科學家們一直在為可滿足能源密集型應用（例如汽車）需求的超級電容尋找高效能材料。日本東北大學材料科學家、相關論文合著者之一的 Hirotomo Nishihara 表示：“找到既能在高電壓下又能在嚴苛環境下執行的材料，非常具有挑戰性。”

創新

近日，日本東北大學的一支科研團隊開發出一種新材料，它可用於製造工作電壓更高的超級電容，且比其他材料更穩定。他們的研究最近發表在《能源與環境科學（Energy and Environmental Science）》期刊上。

（圖片來源：參考資料【2】）

Nishihara 及其同事們與超級電容製造公司（TOC Capacitor Co。）合作開發出一種新材料，它在高溫、高電壓條件下具備超高穩定性。

技術

按照慣例來說，超級電容的電極採用的是活性碳，但是電容基本構建模組單元中的低電壓卻限制了這些超級電容的應用。這意味著，大量的單元必須被堆疊到一起，實現所需的電壓。重點是，新材料具備更高的單元電壓，可減少堆疊的數量，使裝置變得更加緊湊。

開發出來的GMS薄片以及連線兩個LED的超級電容（圖片來源：Hirotomo Nishihara）

新材料是由一個連續的石墨烯介孔海綿（含有奈米孔的碳基材料）三維框架組成。這種材料的關鍵特徵是無縫的：它含有非常少量的碳邊緣（腐蝕反應產生的地方），這使得它變得非常穩定。

研究人員們透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），研究了他們的新材料的物理特性。他們也透過活性碳作為對比基準，測試了商用的石墨烯基材料，包括單壁碳奈米管、還原的氧化石墨烯、三維石墨烯。

技術

他們展示了，這種材料在傳統有機電解液中“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，都具有卓越的穩定性。更進一步說，它在4。4伏電壓條件下具有比傳統活性碳材料高2。7倍的能量密度。Nishihara 表示：“這創造了對稱超級電容中的碳材料電壓穩定性的世界記錄。”

這種新材料為開發高度耐用、高電壓的超級電容器鋪平了道路，並將應用於包括機動車輛在內的許多領域。

關鍵字

超級電容、汽車、石墨烯

參考資料

【1】https：//www。tohoku。ac。jp/en/press/press20190207_new_materials。html

【2】Keita Nomura， Hirotomo Nishihara， Naoya Kobayashi， Toshihiro Asada， Takashi Kyotani。 4。4 V supercapacitors based on super-stable mesoporous carbon sheet made of edge-free graphene walls。 Energy & Environmental Science， 2019； DOI： 10。1039/C8EE03184C