首页 > 爱上碰 >新型无碳超级电容器
2018
05-27

新型无碳超级电容器


称为超级电容器的能量存储设备已成为研究的热点领域,部分原因是他们可以迅速收费,并提供强力爆发力量。但是,目前所有的超级电容器均使用碳元件,这些元件需要高温和苛刻的化学品来生产。

现在,麻省理工学院和其他地方的研究人员首次开发了一种超级电容器,它根本不使用导电碳,可能比现有技术产生更多的功率。

研究小组的研究结果在一篇MIT的副教授MirceaDincă的论文 Nature Materials 中被报道, W.M. Yang Shao-Horn Keck能源教授;和其他四个人。

Dincă说:“我们发现了一种全新的超级电容器材料。

Dincă和他的团队多年来一直在探索一种称为金属有机框架(MOFs)的材料,这种材料是非常多孔的海绵状结构。这些材料的尺寸非常大,比碳材料大得多。这是超级电容器的基本特性,其性能取决于其表面积。但是MOF对于这样的应用有一个主要的缺点:它们不具有导电性,这也是电容器所用材料的基本性质。 Dincă说:“我们的长期目标之一就是使这些材料具有导电性,即使这样做”被认为是非常困难的,即使不是不可能的“。但是这种材料确实表现出了这种电极的另一个需要的特性,这就是它传导离子(携带净电荷的原子或分子)非常好。

“所有的双层超级电容器今天都是由碳制成的,”Dincă说。 “他们使用碳纳米管,石墨烯,活性炭,所有的形状和形式,除了碳之外没有其他的东西。所以这是第一个非碳,电双层超级电容器。“

在这些实验中使用的材料的一个优点,在技术上被称为镍(hexaiminotriphenylene) 2 ,它可以制造在更低的苛刻的条件比那些需要800摄氏度以上的非常高的温度的碳基材料和用于预处理的强烈的试剂化学品所需的条件。

该团队表示,超级电容器能够存储相对较大的功率,可以在使可再生能源实用于广泛部署方面发挥重要作用。他们可以提供电网规模的存储,例如可以帮助将使用时间与发电时间相匹配,或者用于电动汽车和其他应用。

由团队生产的新设备,即使没有对其特性进行任何优化,也能够匹配或超过现有碳基版本在关键参数(例如承受大量充电/放电循环的能力)方面的性能。测试表明,经过10,000次循环后,性能下降不到10%,这与现有的商用超级电容器相媲美。但是这可能只是一个开始,Dincă说。 MOFs是一大类材料,其特性可以通过改变其化学结构在很大程度上进行调整。致力于优化其分子结构以为这种特定应用提供最理想的属性可能会导致性能超过任何现有材料的变化。他说:“我们有一个新的材料可以使用,而且我们还没有对其进行优化。” “这是完全可调的,这是令人兴奋的。”

尽管对MOF进行了大量研究,但大部分研究都是针对利用材料记录孔隙率(如储存气体)的用途。 Dincă说:“我们实验室发现的高导电性MOF开辟了一个全新的应用领域。除了新的超级电容器用途之外,导电MOFs还可用于制造可通过开关翻转而变暗的电致变色窗,以及可用于检测医疗或安全应用中痕量化学品的化学电阻传感器。

虽然MOF材料在中有优势 简单和可能的低制造成本,用于制造它的材料比传统的碳基材料更昂贵,Dincă说。 “碳很便宜。很难找到更便宜的东西。“但是,即使材料成本更高,如果其性能明显优于碳基材料,也可以找到有用的应用。 2882​​9863

比利时鲁汶天主教大学化学教授亚历山德鲁·弗拉德(Alexandru Vlad)说,这一发现“从科学和应用的角度来看,都是非常重要的”,他没有参与这项研究。他补充说,“超级电容器领域(但不会再以活性炭为主)”,因为它们具有非常高的表面积和导电性。但是现在,Dinca等人提出了这样的突破:他们可以设计出高比表面积和高导电率的MOF,从而完全挑战超级电容器的价值链!对于这种高度要求的技术,基本上不再需要碳。“

他解释说,其中一个关键的优势是”这项工作只显示了冰山一角。有了碳元素,我们几乎可以知道所有的事情,过去几年的发展是温和而缓慢的。但是Dinca使用的MOF是已知的最低表面积的MOF之一,其中一些材料的表面积可比碳高3倍以上。那么容量将会惊人地高,可能接近于电池的容量,但是具有超级电容器的功率性能(提供高功率输出的能力)。“

研究团队包括前麻省理工学院博士后Dennis Sheberla(现在是哈佛大学博士后大学),麻省理工学院研究生约翰·巴赫曼(John Bachman),约瑟夫·埃利亚斯(Joseph Elias)博士16,阿贡国家实验室的孙成军。这项工作得到了美国能源部通过兴奋剂中心,斯隆基金会,科学发展研究公司,3M和国家科学基金会的支持。