科学家发现超级电容器高效率的秘密_新浪财经

第一作者刘新宇手中的石墨烯模型（左）和无序碳电极（右）。

剑桥大学的研究人员发现，增加超级电容器碳电极的无序度可显著提高其能量存储能力。这一突破可能会提升超级电容器在能源转型和公共交通领域的作用。　　超级电容器是一种类似于电池的装置，可以在几秒或几分钟内快速充电，通过增加其内部结构的“混乱度”，可以提高超级电容器的能量密度。　　剑桥大学的研究人员利用实验和计算机建模技术对超级电容器中使用的多孔碳电极进行了研究。他们发现，化学结构较为混乱的电极比结构高度有序的电极储存的能量要多得多。　　超级电容器是能源转型的一项关键技术，可用于某些形式的公共交通以及管理间歇性太阳能和风能发电，但由于能量密度较低，其应用一直受到限制。　　研究人员表示，他们在《科学》（Science）杂志上发表的研究成果代表了该领域的一项突破，可以重振这项重要的净零排放技术的发展。超级电容器与电池的比较　　与电池一样，超级电容器也能储存能量，但超级电容器可以在几秒或几分钟内完成充电，而电池则需要更长的时间。超级电容器比电池耐用得多，可持续充电数百万次。不过，超级电容器的能量密度较低，因此不适合长期储能或持续供电。　　领导这项研究的剑桥大学化学系亚历克斯·福斯博士说：“超级电容器是电池的补充技术，而不是替代品。超级电容器经久耐用，充电速度极快，因此应用领域十分广泛。”例如，由超级电容器供电的公共汽车、火车或地铁可以在乘客上下车的时间内充满电，为到达下一站提供足够的电力。这样就无需在沿线安装任何充电基础设施。不过，在超级电容器得到广泛应用之前，还需要提高其能量存储能力。　　电池利用化学反应来存储和释放电荷，而超级电容器则依靠多孔碳电极之间带电分子的运动，这种电极具有高度无序的结构。福斯说：“想象一下石墨烯薄片，它具有高度有序的化学结构。如果你把那片石墨烯揉成一团，就会出现无序的混乱，这就有点像超级电容器中的电极。”在了解电极结构方面取得突破　　由于电极本身的杂乱无章，科学家们很难对其进行研究，也很难确定在试图提高性能时哪些参数是最重要的。由于缺乏明确的共识，这一领域陷入了困境。　　许多科学家认为，碳电极中微孔或纳米孔的大小是提高能量容量的关键。然而，剑桥大学的研究小组分析了一系列市面上销售的纳米多孔碳电极，发现孔径大小与储能能力之间没有联系。　　福斯和他的同事们采用了一种新方法，利用核磁共振（NMR）光谱来研究电极材料。他们发现，长期以来一直被认为是阻碍因素的材料的杂乱性实际上是其成功的关键。　　“利用核磁共振光谱，我们发现储能能力与材料的无序程度相关，越是无序的材料越能储存更多的能量，”第一作者、由福斯和克莱尔·格雷教授共同指导的博士生刘新宇说，“混乱度是一种很难测量的东西，只有通过新的核磁共振和模拟技术才能测量，这就是为什么混乱度是这一领域一直被忽视的特性。”　　用核磁共振光谱分析电极材料时，会产生不同峰谷的光谱。峰的位置表明碳的有序或无序程度。福斯说：“我们并没有计划去寻找这种现象，这是一个很大的惊喜。当我们将峰值的位置与能量容量相对照时，一个惊人的相关性显现出来，最无序的材料的能量容量几乎是最有序材料的两倍。”　　那么，为什么混乱是好事呢？福斯表示，这就是研究小组下一步要研究的问题。更无序的碳在其纳米孔中存储离子的效率更高，研究小组希望利用这些结果设计出更好的超级电容器。材料的混乱程度是在合成时决定的。　　福斯说：“我们想研究制造这些材料的新方法，看看在改进能量储存方面，混乱能让你走多远。这可能是这个领域的一个转折点，这个领域已经困顿了一段时间。”　　该研究部分由剑桥信托基金、欧洲研究理事会和英国研究与创新署（UKRI）资助。（航柯）