超級(jí)電容因充放電速度快、功率密度高等因素成為能源儲(chǔ)存系統(tǒng)的研究熱門。目前超級(jí)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(gè)不含碳的超級(jí)電容，同時(shí)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(chǔ)電潛力可能是目前碳基超級(jí)電容的3倍。
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(duì)。
以往的含碳的超級(jí)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(jí)電容則不需要。
Ni3(HITP)2的結(jié)構(gòu)示意圖
Mircea Dinc的團(tuán)隊(duì)研制出的不含碳的超級(jí)電容，是用一種金屬——有機(jī)框架材料的（metal-organic frameworks，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(duì)于超級(jí)電容性能表現(xiàn)非常重要。因?yàn)槌?jí)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(jí)電容中一般盡可能選用比表面積大的材料。不過，MOFs有一個(gè)大的缺陷，它們沒有超級(jí)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(jí)電容充放電1萬次后儲(chǔ)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(jí)電容。
不過，Mircea Dinc稱，這還只是個(gè)開始，MOFs材料還有很大的優(yōu)化潛力。因?yàn)镸ircea Dinc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(duì)應(yīng)儲(chǔ)電性能將會(huì)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(gè)非碳的雙電層超級(jí)電容。”比利時(shí)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(gè)非常重要的發(fā)現(xiàn)。他補(bǔ)充說，超級(jí)電容器不會(huì)再單是由碳基材料主導(dǎo)了。現(xiàn)在Mircea Dinc等人提供的突破：他們?cè)O(shè)計(jì)了具有高表面積和高觸點(diǎn)性能的MOFs電容，從而挑戰(zhàn)了超級(jí)電容器此前的價(jià)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(jí)電容外，MOFs還能用于儲(chǔ)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(jí)電容將來用在汽車上，充電將不再是電動(dòng)車推廣的瓶頸。此外，該團(tuán)隊(duì)也表示，超級(jí)電容器具有更高的儲(chǔ)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(shí)，超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以在負(fù)荷低落時(shí)儲(chǔ)存電源的多余電能，而在負(fù)荷高峰時(shí)回饋給微電網(wǎng)以調(diào)整功率需求，對(duì)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(duì)研發(fā)的全新不含碳的超級(jí)電容或?qū)⒔o超級(jí)電容的發(fā)展帶來一抹亮色。<
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