超級(jí)電容器生產(chǎn)難點(diǎn)_碳樹(shù)成為超級(jí)電容器電極的新選擇

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發(fā)表時(shí)間：2018-03-12 16:56來(lái)源：金戈新材料

　　來(lái)自加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）HenrySamueli工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的機(jī)械工程師和其他四家機(jī)構(gòu)為超級(jí)電容器設(shè)計(jì)了一個(gè)超高效和持久的電極。該設(shè)備的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于樹(shù)枝上樹(shù)葉的結(jié)構(gòu)和功能，相比其他設(shè)計(jì)效率要高出10倍以上。

　　與相同類型的電極相比，該種電極體積和重量更輕，卻可以能提供相同數(shù)量的能量?jī)?chǔ)存并且可以提供更高的功率。在實(shí)驗(yàn)中，與使用類似碳材料制造的最佳可用電極相比，相同質(zhì)量可以產(chǎn)生30％更好的電容（存儲(chǔ)電荷的能力），這使得每個(gè)區(qū)域的電容提高30倍。它還產(chǎn)生了比其他設(shè)計(jì)高10倍的功率，并在超過(guò)10,000次充電周期后依然保留了初始電容的95％。這種新電極的設(shè)計(jì)以文章的形式發(fā)表在《NatureCommunications.》雜志上。

　　圖示新型電極的分支和葉片設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，包括由石墨烯制成的空心圓柱形碳納米管陣列（“分支”）和銳邊花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)（“葉”）。

　　超級(jí)電容器是一種可反復(fù)充電的能量存儲(chǔ)設(shè)備，它可以比相同質(zhì)量的電池儲(chǔ)存更多的能量。他們還支持快速充電并且可以持續(xù)成百上千個(gè)循環(huán)周期。如今它們被用于混合動(dòng)力汽車的再生制動(dòng)系統(tǒng)和其他應(yīng)用。超級(jí)電容器技術(shù)的進(jìn)步，可以使它們廣泛應(yīng)用于甚至替代日常家用電子產(chǎn)品中更熟悉的電池。

　　工程師們知道超級(jí)電容器可以變得更加強(qiáng)大，但是關(guān)鍵挑戰(zhàn)是生產(chǎn)更加有效和耐用的電極。超級(jí)電容器電極吸引離子，離子存儲(chǔ)著能量并將其帶到超級(jí)電容器的表面，在電容器表面的能量就可以自由使用了。超電容器中的離子儲(chǔ)存在電解質(zhì)溶液中。電極能快速傳遞儲(chǔ)存電能的能力很大程度上取決于它能與電解液交換多少離子：離子交換的速率越快，他就可以存儲(chǔ)更多的能量。

　　清楚了這一點(diǎn)后，研究人員設(shè)計(jì)了表面積最大化的電極以來(lái)吸引更多的電子。他們從樹(shù)木的結(jié)構(gòu)中汲取了靈感，因?yàn)闃?shù)木的葉子表面面積，能夠吸收大量的二氧化碳進(jìn)行光合作用。

　　這個(gè)研究的主要研究者，加州大學(xué)洛杉磯分校的機(jī)械和航天工程教授TimFisher說(shuō)：“我們經(jīng)常在自然界中尋找靈感，植物也找到了吸收環(huán)境中二氧化碳等化學(xué)物質(zhì)的最佳方法。事實(shí)上，在這個(gè)方案中，我們使用的的這個(gè)想法要比自然界的范圍小得多，大概只有百萬(wàn)分之一?！?/span>

　　研究人員使用了由兩種碳原子復(fù)合組成的納米材料來(lái)創(chuàng)造這種分支-葉子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。這些樹(shù)枝是直徑約20nm至30nm的中空?qǐng)A柱形碳納米管構(gòu)成。葉子是由超薄石墨烯層構(gòu)成的大約100納米寬的尖銳花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，排列在碳納米管的周圍，這樣可以使電極變得更加穩(wěn)定。

　　工程師們把這種結(jié)構(gòu)組成了隧道形狀的排列。當(dāng)輸送能量的離子通過(guò)這些陣列的時(shí)候，在電解質(zhì)和電極表面所遇到的電阻將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電極表面平坦時(shí)的電阻。該電極在酸性條件和高溫下也表現(xiàn)良好，在這兩種環(huán)境下都可以使用超級(jí)電容器。