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研究人員利用石墨烯制超級(jí)電容器 1萬(wàn)次充放電循環(huán)后仍保持90%容量

2021-01-08
來(lái)源:電子發(fā)燒友
關(guān)鍵詞: 超級(jí)電容器 石墨烯

  據(jù)外媒報(bào)道,,德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)(Technical University Munich,,TUM)的合作團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款超高效超級(jí)電容器,。該款儲(chǔ)能裝置以新穎、強(qiáng)大且具可持續(xù)性的石墨烯混合材料為基礎(chǔ),,性能數(shù)據(jù)與當(dāng)前使用的電池相當(dāng),。

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  由MOF與石墨烯酸制成的石墨烯混合材料(圖片來(lái)源:慕尼黑工業(yè)大學(xué))

  通常,儲(chǔ)能設(shè)備與為電子設(shè)備提供能量的電池以及蓄電池相關(guān),。不過(guò),,如今越來(lái)越多的筆記本電腦、手機(jī)或汽車開始安裝超級(jí)電容器,。

  與電池不同,,超級(jí)電容器能夠快速存儲(chǔ)大量的能量,并以同樣快的速度釋放大量能量,。例如,,如果列車進(jìn)站時(shí)剎車,超級(jí)電容器就會(huì)存儲(chǔ)能量,,并在列車啟動(dòng)需要快速得到大量能量時(shí)將能量提供給列車,。

  但是,迄今為止,,超級(jí)電容器都有一個(gè)問(wèn)題,,即能量密度不足。鋰蓄電池的能量密度可高達(dá)265 KW/h,,而超級(jí)電容器的能量密度只達(dá)其十分之一,。

  可持續(xù)性材料提供高性能

  現(xiàn)在,與慕尼黑工業(yè)大學(xué)合作的團(tuán)隊(duì)為超級(jí)電容器研發(fā)了一種新穎,、強(qiáng)大且具可持續(xù)性的石墨烯混合材料,,可在儲(chǔ)能設(shè)備中充當(dāng)正極。研究人員正將其與基于鈦和碳制成的負(fù)極相結(jié)合,。

  此種新型儲(chǔ)能設(shè)備不僅能量密度能夠達(dá)到73 Wh/kg(與鎳金屬氫電池的能量密度相當(dāng)),,而且比現(xiàn)有大多數(shù)其他超級(jí)電容器的性能更優(yōu),功率密度達(dá)16 kW/kg,。該款新型超級(jí)電容器的秘訣是其結(jié)合了各種不同的材料,,因此化學(xué)家將其稱為“非對(duì)稱”超級(jí)電容器。

  混合材料:大自然就是模范

  研究人員利用一種新策略——混合材料來(lái)克服標(biāo)準(zhǔn)材料的性能限制,。研究人員表示:“自然界中充滿了復(fù)雜、因進(jìn)化而得到優(yōu)化的材料,,如骨頭和牙齒,,此類材料的硬度和彈性等機(jī)械性能都通過(guò)與各種材料的自然組合而得到了優(yōu)化?!?/p>

  研究團(tuán)隊(duì)將結(jié)合基礎(chǔ)材料的抽象概念轉(zhuǎn)移應(yīng)用于超級(jí)電容器,。在此基礎(chǔ)上,,他們?cè)谠搩?chǔ)能設(shè)備中采用了在化學(xué)性能上得到優(yōu)化的石墨烯正極,將其與納米結(jié)構(gòu)金屬有機(jī)框架材料,,即MOF相結(jié)合,。

  強(qiáng)大且穩(wěn)定

  石墨烯混合材料一方面具有較大的比表面積和可控的孔徑大小,另一方面還有較高的導(dǎo)電率,,也是該款超級(jí)電容器達(dá)到較高性能的決定性因素,。

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  由MOF與石墨烯酸制成的石墨烯混合材料(圖片來(lái)源:慕尼黑工業(yè)大學(xué))

  較大的比表面積對(duì)于實(shí)現(xiàn)良好的超級(jí)電容器至關(guān)重要,能夠讓材料內(nèi)部各自收集較大數(shù)量的載流子,,這也是存儲(chǔ)電能的基本工作原理,。

  利用巧妙的材料設(shè)計(jì),研究人員將石墨烯酸與MOF聯(lián)系在一起,,最終得到的混合MOF具有非常大的內(nèi)表面積,,可達(dá)900平方米/克,能作為超級(jí)電容器的高性能正極,。

  長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性

  不過(guò),,這也不是該種新材料的唯一優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)一種化學(xué)上具有穩(wěn)定性的混合材料,,材料的不同成分之間需要強(qiáng)大的化學(xué)鍵,,與蛋白質(zhì)和氨基酸之間的化學(xué)鍵相同。因此,,研究人員將石墨烯酸與一種MOF氨基酸連接起來(lái),,從而形成了一種肽鍵。

  納米結(jié)構(gòu)組件之間的穩(wěn)定連接在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面具有巨大的優(yōu)勢(shì),,此類化學(xué)鍵越穩(wěn)定,,充放電循環(huán)的次數(shù)就會(huì)越多,而且不會(huì)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的性能造成顯著損害,。

  相比之下,,普通鋰蓄電池的使用壽命約為5000次充放電循環(huán),而慕尼黑工業(yè)大學(xué)研發(fā)的新型超級(jí)電容器即使在1萬(wàn)次充放電循環(huán)后,,仍可以保留近90%的容量,。


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