超級電容因充放電速度快、功率密度高等因素成為能源儲存系統(tǒng)的研究熱門。目前超級電容都是利用比表面積大的碳基材料制成,比如碳納米管、石墨烯以及活性炭等。如今,有科學(xué)家研制出了首個不含碳的超級電容,同時性能還超過了碳基材料。此不含碳基的電容材料優(yōu)化后,儲電潛力可能是目前碳基超級電容的3倍。
英國當(dāng)?shù)貢r間10月10日,上述研究成果在權(quán)威雜志《自然》的子刊《自然材料》(Nature Materials)上在線發(fā)表。研究者為美國麻省理工學(xué)院(MIT)化學(xué)系的副教授Mircea Dinc?等6人的團(tuán)隊。
以往的含碳的超級電容一般在生產(chǎn)過程中需要800℃以上的高溫以及刺激性強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì),新的不含碳超級電容則不需要。
Mircea Dinc?的團(tuán)隊研制出的不含碳的超級電容,是用一種金屬—有機(jī)框架材料的(metal-organicframe works,MOFs)Ni3(HITP)2代替此前的含碳材料。MOFs具有像海綿一樣的多孔性結(jié)構(gòu),其表面積比碳基材料大很多,而超大表面積對于超級電容性能表現(xiàn)非常重要。因為超級電容的電容和充電—放電速率分別與表面積和電導(dǎo)率成比例,所以在超級電容中一般盡可能選用比表面積大的材料。不過,MOFs有一個大的缺陷,它們沒有超級電容要求的電子傳導(dǎo)性。Mircea Dinc?表示,雖然他們認(rèn)為讓MOFs具有導(dǎo)電性被認(rèn)為極其困難,但他們最終展現(xiàn)了MOFs非常好的離子傳導(dǎo)性能。
測試表明,新超級電容充放電1萬次后儲能損失不到10%,在許多關(guān)鍵性能參數(shù)的表現(xiàn)上,已經(jīng)相當(dāng)于甚至超越了現(xiàn)有的碳基材料的超級電容。
不過,Mircea Dinc?稱,這還只是個開始,MOFs材料還有很大的優(yōu)化潛力。因為MirceaDinc?使用的MOFs是已知的最低表面積的MOFs之一,并且這些MOFs材料中的一些比表面積可以是碳基材料的三倍,相對應(yīng)儲電性能將會提高很多。
Mircea Dinc?稱,“目前的雙電層電容器都是碳基材料的,我們這是第一個非碳的雙電層超級電容。”比利時魯汶天主教大學(xué)的化學(xué)教授Alexandru Vlad稱,從科學(xué)和應(yīng)用的角度來看,這是個非常重要的發(fā)現(xiàn)。他補(bǔ)充說,超級電容器不會再單是由碳基材料主導(dǎo)了?,F(xiàn)在Mircea Dinc?等人提供的突破:他們設(shè)計了具有高表面積和高觸點性能的MOFs電容,從而挑戰(zhàn)了超級電容器此前的價值鏈。
Mircea Dinc?表示,除了比碳基材料稍貴外,MOFs的優(yōu)勢明顯,比表面積大,生產(chǎn)中的溫度和化學(xué)條件都不再嚴(yán)苛,比較容易得到。未來除了用于超級電容外,MOFs還能用于儲存天然氣、生產(chǎn)可調(diào)節(jié)亮度的窗戶以及醫(yī)用或安全性檢測的化學(xué)探測器。
如果MOFs的超級電容將來用在汽車上,充電將不再是電動車推廣的瓶頸。此外,該團(tuán)隊也表示,超級電容器具有更高的儲電能力,同樣可以在可再生能源的廣泛發(fā)展中發(fā)揮重要作用。同時,超級電容器儲能系統(tǒng)還可以在負(fù)荷低落時儲存電源的多余電能,而在負(fù)荷高峰時回饋給微電網(wǎng)以調(diào)整功率需求,對微電網(wǎng)起到必要的能量緩沖作用。
不過,完美的電容材料比電池電極材料更難研發(fā)。此次Mircea Dinc?團(tuán)隊研發(fā)的全新不含碳的超級電容或?qū)⒔o超級電容的發(fā)展帶來一抹亮色。