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传统电池将迎来超级电容的挑战

2021-01-14 15:40:31 【东智精密】   来源: 探索科技TechSugar     阅读

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通常,能量储存与电池和蓄电池相关,它们为电子装备提供能量。然而最近,在条记本电脑、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差别,例如,当火车进站制动时,超级电容可以储存制动发生的能量,并当火车启动需要大量能量时再提供应它。

泉源慕尼黑工业大学(TUM)

编译 | 苏岚

一个手艺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、强盛的、可连续使用的石墨烯混淆质料,并已将其与现在正被使用的电池举行了性能数据比力。

通常,能量储存与电池和蓄电池相关,它们为电子装备提供能量。然而最近,在条记本电脑、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差别,例如,当火车进站制动时,超级电容可以储存制动发生的能量,并当火车启动需要大量能量时再提供应它。

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然后,超级电容另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到达265千瓦时,超级电容现在为止只有其十分之一的能量密度。

可连续质料提供高性能

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、强盛的同时也可以连续使用的石墨烯混淆质料。它可以作为储能器件的正极。研究职员将其与一种已被证实基于土卫六(titian)和碳的负极相联合。

这种新型储能器件不仅能到达73Wh/kg的能量密度(约莫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巧妙之处在于联合了差别种的质料,因此,化学家将该超级电容称为“差池称电容”。

混淆质料:自然是模范

研究职员押注于一种新的计谋来战胜传统质料的性能限制,即接纳混淆质料。Roland Fischer 表现:“大自然充满了高度庞大、不停进化和优化的混淆质料,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,通过种种质料的自然组合获得优化。”

研究小组将组合基础质料的抽象想法转移到了超级电容上。以此为基础,他们接纳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联合,即所谓的MOF。

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图:3D 纳米结构电极具有诸多优点;

图源:Nawa Technologies

强盛且稳固

决议石墨烯混淆质料性能的因素一是大比外貌积和可控孔径,另一个则为高导电性。论文第一作者,也是和Roland Fischer 一起事情的前客座科学家Jayaramulu Kolleboyina诠释说:“这种质料的高性能是基于微孔MOF和导电石墨烯酸的联合。”

大外貌积对于好的超级电容至关主要。它可以允许在质料中划分网络大量的电荷载体,这是电能储存的基本原理。

通过巧妙的质料设计,研究职员实现了将石墨烯酸和MOF毗连起来的壮举。由此发生的混淆MOF拥有一个超大内外貌积,高达900平方米每克,并作为超级电容的正极具有很高性能。

恒久稳固性

事实上,这不是这种新质料的唯一优势。为了实现化学稳固的化合物,需要身分间有很强的化学键。这些键显然和卵白质中氨基酸之间的键相同,Fischer表现:“事实上,我们曾把石墨烯酸和MOF氨基酸毗连起来,形成了一种肽键。”

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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联合

纳米结构器件间的稳固毗连在恒久稳固性方面具有庞大优势。键越稳固,充放电次数就越多,而不会对性能造成显着影响。

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职员开发的新型电池纵然在充放电10,000次后仍有靠近90%的容量。

国际专家网络

Fischer强调,在开发新型超级电容时,研究职员不受约束举行国际互助是何等主要。响应的,Jayaramulu Kolleboyina组建了这个团队。他是亚历山大・冯・洪堡基金会约请的来自印度的客座科学家,现在是位于查谟的新建立的印度理工大学化学系主任。

“我们的团队成员另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,我们另有来自美国和澳大利亚的互助同伴。这种美妙的国际间互助让未来充满希望。”

这项研究获得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生长基金。

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