在很多情况下,理想的储能设备不是储能量大但无法快速供能的电池,也不是存储空间有限但供能迅速的超级电容器,而是结合二者优点、能够一举两得的装置。中国和美国的科学家们发现,氮可以将碳基超级电容器的储能量提高两倍,从而使其在储能量方面与一些电池一较高下,向实现理想的储能装置迈出了一大步。
强大的储电孔隙!掺杂氮原子的碳管有助于提升超级电容器的储能量。
现在使用的大多数超级电容器都依赖于碳基电极,因为其表面积大,可存储更多电荷。上海硅酸盐研究所的材料化学家黄富强说:"我们可以使碳成为更好的超级电容器。"
黄富强和他的同事们首先制作了多孔二氧化硅框架,将碳塞入孔中;而后蚀刻掉二氧化硅,形成宽度只有4到6纳米的多孔管,每个管由多达5层类石墨烯的碳构成;然后在碳中掺杂氮原子。氮改变了惰性碳,从而在超级电容器中发生化学反应,而不会影响其导电性。
这些反应使电容的储能能力提升了两倍,而不会削弱其快速充放电的能力。该设备的储能能力为41瓦时/千克,与铅酸电池相差无几。
黄富强说:"好像我们已经打破了音障一样。"
其他专家表示认同。澳大利亚昆士兰科技大学物理学家农西奥？莫托(NunzioMotta,未参加这项研究)说:"这些结果是超级电容器能量密度领域的一大飞跃。"
宾夕法尼亚大学的材料物理学家陈一苇也参加了这项突破性工作,他从理论上分析了该装置可在电动交通中发挥的作用,给出了恰当的论述。他说:"一辆巴士用8瓦时/千克的超级电容器可以跑5公里,然后在储库充电30秒后再次运行。这在一个小城市或机场是可行的,但显然还有很多不足之处。我们的电池具有5倍的能量,所以它可以行驶25公里后仍以相同的速度充电。我们现在谈的是交通运输上的实际应用。"
位于休斯顿的莱斯大学的材料化学家詹姆斯？图尔(JamesTour,未参加这项研究)认为,这种先进的超级电容器也可以用于可穿戴设备。他说:"手表、眼镜、电子皮肤等装置不宜使用过大过重的电池,因此轻巧高效的超级电容器可能是一个很好的选择。"
这种新型超级电容器在储能量上不及锂离子电池,锂离子电池的储能量可达到70~250瓦时/千克。但研究人员们说,这种超级电容器在功率上超过了锂离子电池,可产生26千瓦/千克的功率,而锂离子电池则为0.2~1千瓦/千克。
他说,黄富强及其同事们正在研究以可扩展、稳健和廉价的方式创建这些超级电容器的方法。他们还尝试使用各种电解质来进一步改进这些装置。
昆士兰科技大学的物理学家莫托说,未来的研究亦可专注于改善超级电容器的孔隙率,从而提升储电量。他说:"但孔隙率的进一步提高可能会加大材料的脆弱性,这可能成为一道障碍。"
