超级电容器技术取得进展

来源：科情智库

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撰稿：科技报告服务与产业情报研究中心  孟 浩

2021年1月5日，太空日报网（spacedaily.com）报道，慕尼黑工业大学（TUM）的无机和金属有机化学教授罗兰·费舍尔（Roland Fischer）组成的团队开发了一种高效的超级电容器，其基础是新颖、功能强大且可持续的石墨烯混合材料，其性能数据可以媲美当前使用的电池。

通常，能量存储与为电子设备提供能量的电池和蓄电池相关联。但是，在笔记本电脑、照相机、手机或车辆中，近来越来越多地使用所谓的超级电容器。

与电池不同，它们可以快速存储大量能量并以同样快的速度释放出来。例如，如果火车在进入车站时制动，则超级电容器会存储能量，并在火车启动时非常迅速地需要大量能量时再次提供能量。

然而，迄今为止，超级电容器的一个问题是缺乏能量密度。尽管锂蓄电池的能量密度高达265千瓦时（kW/h），但到目前为止，超级电容器仅能提供其十分之一的能量。

可持续材料可提供高性能

该团队与慕尼黑工业大学化学家罗兰·费舍尔合作，现已开发出一种用于超级电容器的新颖、功能强大且可持续的石墨烯混合材料，主要用作储能装置中的正极。研究人员正在将其与经过验证的基于钛和碳的负极结合在一起。

这种新的储能装置不仅能达到高达73Wh/kg的能量密度（大致相当于镍氢电池的能量密度），而且在功率密度为16kW/kg也比大多数其他超级电容器性能要好得多。新超级电容器的秘密在于不同材料的组合，因此，化学家将超级电容器称为“不对称”。

混合材料：自然是榜样

研究人员押注了一种新的利用混合材料来克服标准材料性能限制的策略。罗兰·费舍尔说：“大自然充满了高度复杂的、经过进化优化的混合材料，例如骨骼和牙齿。它们的机械性能（例如硬度和弹性）是通过自然界中各种材料的组合来优化的。”

研究团队将结合基本材料的抽象思想转移给了超级电容器。作为基础，他们使用了具有化学修饰石墨烯的新型存储单元正电极，并将其与纳米结构的金属有机骨架（即所谓的MOF）结合使用。

强大且稳定

石墨烯杂化材料性能的决定因素一方面是大比表面积和可控制的孔径，另一方面是高电导率。“该材料的高性能是基于微孔金属有机骨架与导电石墨烯酸的结合。”曾与费舍尔合作的第一作者贾亚拉穆鲁·科勒博伊纳（Jayaramulu Kolleboyina）解释说。

大表面对于优质超级电容器很重要。它允许在材料内收集大量的电荷载流子，这是电能存储的基本原理。

通过熟练的材料设计，研究人员实现了将石墨烯酸与金属有机骨架连接的壮举。所得的混合金属有机骨架具有非常大的内表面，高达900平方米/克，并且在超级电容器中作为具有很高性能的正极。

长期稳定性

但是，这并不是新材料的唯一优势。为了获得化学上稳定的混合，人们需要在组件之间建立牢固的化学键。根据菲舍尔的说法，这些键显然与蛋白质中氨基酸之间的键相同：“实际上，我们已经将石墨烯酸与金属有机骨架氨基酸连接在一起，从而产生了一种肽键。”

纳米结构组件之间的稳定连接在长期稳定性方面具有巨大优势：键越稳定，在不显著降低性能的情况下，可以进行更多的充电和放电循环。

进行比较：经典的锂蓄电池的使用寿命约为5000个循环。慕尼黑工业大学研究人员开发的新电池即使经过10000次循环，仍可保持近90％的容量。

国际专家

菲舍尔强调，研究人员控制自己不受限制的国际合作对开发新型超级电容器的重要性。因此，贾亚拉穆鲁·科勒博伊纳组建了团队。他是亚历山大·冯·洪堡基金会（Alexander von Humboldt Foundation）邀请的来自印度的客座科学家，现在他是位于查谟的新成立的印度理工学院化学系主任。

菲舍尔说：“我们的团队还与巴塞罗那的电化学和电池研究专家以及来自捷克共和国的石墨烯衍生物专家建立了联系。”“此外，我们已经整合了来自美国和澳大利亚的合作伙伴。这种美好的国际合作对未来充满了希望。”

来源：《国际能源领域动态监测》2021年第1期（总第185期）