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鋰電池霸主地位岌岌可危!超級(jí)電容器性能相當(dāng) 壽命還更長

發(fā)布時(shí)間:2023-08-15 08:45:05 | 瀏覽次數(shù):

近日,慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TUM)無機(jī)和金屬有機(jī)化學(xué)教授Roland Fischer的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種高效的超級(jí)電容器。該儲(chǔ)能裝置采用了一種既新穎又強(qiáng)大、同時(shí)也是可持續(xù)發(fā)展的石墨烯混合材料作為正,與基于鈦和碳的成熟負(fù)相結(jié)合,其性能數(shù)據(jù)與目前使用的電池基本相當(dāng)。

超級(jí)電容器與電池的不同之處在于,它們可以快速儲(chǔ)存大量能量,并以同樣快的速度釋放。例如,列車在進(jìn)站時(shí)剎車,超級(jí)電容器就會(huì)儲(chǔ)存能量,并在列車啟動(dòng)時(shí)非常快速地再次提供能量。然而,此前由于能量密度問題,超級(jí)電容器的發(fā)展一直止步不前:鋰蓄電池的能量密度可達(dá)265千瓦時(shí)(KW/h),而超級(jí)電容器只能達(dá)到其十分之一。

不過,TUM此次的研究成果成功解決了上述問題。儲(chǔ)能裝置不僅能量密度高達(dá)73 Wh/kg,大致相當(dāng)于鎳氫電池的能量密度,而且在功率密度為16 kW/kg的情況下,其性能也遠(yuǎn)超其他大多數(shù)超級(jí)電容器。而其秘密就在于不同材料的組合,化學(xué)家們將這種超級(jí)電容器稱為“非對(duì)稱”。

研究人員此次使用了化學(xué)改性的石墨烯作為超級(jí)電容器的正,并將其與納米結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)框架相結(jié)合,即所謂的MOF相結(jié)合。這種混合材料具有較大的比表面積和可控的孔徑,而且導(dǎo)電性也較高,這是其性能的決定性因素。

要知道,一個(gè)大的表面對(duì)于好的超級(jí)電容器來說是很重要的。它允許在材料中分別收集大量的電荷,這是電能存儲(chǔ)的基本原理。通過巧妙的材料設(shè)計(jì),研究人員實(shí)現(xiàn)了將石墨烯酸與MOFs相連接的壯舉。所得的混合MOFs具有非常大的內(nèi)表面,每克高達(dá)900平方米。

不過,這并不是新材料的唯一優(yōu)勢(shì)。要想實(shí)現(xiàn)化學(xué)穩(wěn)定的混合體,需要各組分之間有很強(qiáng)的化學(xué)鍵。石墨烯酸與MOF氨基酸連接起來,就形成了一種肽鍵。

研究人員指出,納米結(jié)構(gòu)成分之間的穩(wěn)定連接,在長期穩(wěn)定性方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)。鍵越穩(wěn)定,充放電循環(huán)次數(shù)就越多,而不會(huì)有明顯的性能損害。傳統(tǒng)的鋰電蓄能器的使用壽命約為5000次,而超級(jí)電容器,即使在10000次循環(huán)后,仍能保持接近90%的容量。

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