2013超级电容在材料与性能上的研究成果

　　超级电容是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。基于其功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优点，线已用于电动公交车，电动汽车等工具上的储能装置。

　　但是由于其能量密度低，成本高等缺点也使得超级电容与储能电池相较，不能占有有力的市场份额。针对这些缺点，科学家们也在努力的实验各种能够提升能量密度和降低成本的材料以期获得突破。下面我们就来看看今年内超级电容在材料方面的一些研究成果。

　　木材超级电容器与活性炭超级电容相差无多

　　报告显示，木材生物碳超级电容器能够产生与当今活性炭超级电容器相等的电量，但成本却更低且有利于保护环境。该报告发布于《电化学学报》。

　　报告研究小组组长、伊利诺伊斯大学可持续技术中心高级研究员JunhuaJiang表示，超级电容器与我们使用的电池相似。电池依赖化学反应持续生产电能，而超级电容器在其电极上集聚带电离子，并且在放电时迅速释放这些离子。这样一来，它能够闪电般地提供充足能量(如照相机的闪光灯)，或者即时满足能源网高峰期需求。

　　“对于需要即时充电或者需要即时能量供应的应用设备来说，超级电容器是完美配件，因为它能以更低的成本迅速完成充电，”JunhuaJiang说，其在交通、电子、太阳能与风能存储与配送方面应用前景广阔。

　　当今许多超级电容器使用活性炭，而活性炭来自于化石能源。“为了生成活性炭的微结构，即增加孔量并优化孔网，需要成本高昂、工序复杂的程序。这道程序的目的在于增加电极表面积，以及提高各孔迅速捕捉并释放离子的能力。”JunhuaJiang解释了生成活性炭微结构的原理。

　　对于木材电容器而言，其木质天然孔状结构可以直接视作电极表面，因此不必使用复杂的技术制造孔状结构。而木材生物碳，则可通过低氧加热木材获得。

　　对于某些木材，孔的尺寸与分布非常适合离子快速传输。本次研究使用了红刺柏，但是其他一些木材如枫树或者樱桃树也适用。

　　通常，在制作超级电容器时，通常需要成本高昂且腐蚀性强的化学物质用来加工活性炭，以此赋予电极必要的物理与化学性质。

　　“使用这些化学物质可能会对环境造成影响。我们应该避免或尽可能减轻对环境的破坏，”JunhuaJiang表示。

　　Jiang与他的团队用温和的硝酸激活生物碳，清除了生物碳的灰烬(如碳酸钙、碳酸钾和其他杂质)。该工序还具有另一个好处，硝酸化合物作用产生的溶剂能够当做化肥使用。

　　这些简单的方法显着降低了生产超级电容器所需的物质与环境成本。

　　“生物碳超级电容器的物质成本比活性炭超级电容器要低得多，”JunhuaJiang说。

　　当生物碳超级电容器使用寿命走到尽头时，可以粉碎电极并作为有机土壤改良剂使用，这将让土壤变得更加肥沃。“生物碳物质的性能可与当今高级碳物质相提并论，这包括碳纳米管与墨烯材料。这意味着，我们能以更低的物质成本、与环境成本实现等同的效率。”

　　焦化后的头发让超级电容器更环保

　　中国的科研人员使用烧焦的头发制成储能设备的重要构成。使用这项发明制造的产品将会取代传统电池，更加高效、环保。

　　目前，很多电池比如车载铅酸电池都很笨重，而且需要依靠有危险性的化学物质才能储能。随着移动电子产品的全球销售额不断增长，电池引发的环境问题越来越受到人们的重视，并激发科研人员投入到超级电容器的研发中。超级电容器使用可持续的碳材料制成，对环境无害。

　　然而，这些碳材料不但生产制造复杂，而且也不容易从化石燃料中获取。来自苏州大学的冯岩(音)及其科研小组使用简单的碳化过程把人的头发变为可用于超级电容器电极的碳片。

　　作为原始材料，人的头发有几点优势：成本低廉和资源丰富。人的头发含有天然的氮和硫，可以保留在碳片里，提升材料的导电性。人的头发由蛋白质构成，其纤维排列使碳片具有特殊的结构和很高的表面积，因此制造出的超级电容器能够进行快速充电。冯岩表示：“他们不仅可以为您的设备快速充电，还可以让设备的续航能力更持久。”

　　英国华威大学纳米材料和绿色化学专家AdamLee说道：“这项发现很有意思。这种材料通常被用作吸收剂，但很少用在电子设备上。和所有生物衍生材料面临的问题一样，是否有足够的头发用于商业用途?它的纯度是否能确保生产出可再生产品?”

　　现在，研究小组正在测试它们的新材料是否还能够用于传统的锂离子电池。

　　美用黏土开发出高温超级电容器

　　在自然界里，黏土丰富而廉价，却能成为一种超级电容器的关键成分。据物理学家组织网9月3日报道，美国莱斯大学科学家用黏土和一种电解液混合，开发出一种既能当电解液又能当隔离板使用的“复合板”，可作为一种新型高温超级电容器。相关论文在线发表于9月3日的《自然·科学报告》上。

　　“多年来，研究人员一直想造出像电池和超级电容器这样能在高温环境下稳定工作的能源存储设备，但由于传统材料本身性质的制约，一直未能攻克难题。”莱斯大学材料科学家帕里柯·阿加恩说，“我们的革新是找到了一种能在高温下保持稳定的、非传统的电解质/隔离板系统。”

　　他们研究了欧洲和奥地利科学家于2009年开发的一种室温离子液(RTILs)。RTILs在室温下导电性较低，但加热后黏度会降低而导电性提高。黏土具有很高的热稳定性、吸附能力和渗透性，活性表面积也很大。通常用在石油钻探、现代建筑或钢铁铸造中。

　　研究人员把RTILs和自然界的斑脱土黏土等量混合，制成一种混合胶，将其夹在两层还原的氧化石墨中间，上下再装两个集电器，就成了一种超级电容器。经测试和电子显微图像显示，这种材料被加热到200℃时也没有变化，即使加热到300℃也只有很小的变化。

　　“材料的离子电导性在180℃之前几乎是直线增加，然后在200℃时达到饱和。”论文领导作者、莱斯大学机械工程与材料科学系研究人员阿拉瓦·瑞迪说。测试还发现，虽然在第一次充/放电中，其容量有轻微下降，但这种超级电容能稳定地通过1万次周期测试。在运行温度从室温提高到200℃后，无论电能还是功率密度都提高了两个数量级。

　　这种新型超级电容器拥有最佳的电容性能，能在几秒钟内充电而瞬间放电，一般的充电

　　电池是缓慢充电，按照需要逐渐放电。理想的超级电容器能迅速充电、储电并按需放电。阿加恩说，它们能在200℃甚至可能更高的温度下稳定工作。这对于在极端环境下使用的充电设备是非常有用的，比如石油钻探、军队以及太空环境。

　　研究小组还将RTILs/黏土和少量热塑聚氨酯结合，制成一种薄膜，可以切割成不同的大小和形状，灵活适应多种设备的设计。

　　“我们的目的是克服传统液体或胶体电解液的限制，它们只能用在低温工作的电化能源设备中。”瑞迪说，“这项研究让人们能在更广泛的温度范围安全操作，而不必在能量、功率和周期寿命之间折中妥协，大大改善甚至消除了对昂贵的热量管理系统的需求。”

　　石墨烯制造超级电容充电仅需数秒

　　埃及一名科学家已经发明了一种制造超级电容与

　　电池的方法，用这种方法使用石墨烯制造的电池可以在数秒内完成充电、且电力可以持续很长时间。这位科学家在加州大学洛杉矶分校进行了他的研究。

　　石墨烯是一种由碳原子构成的二维网状结构的新型材料，它具有柔韧性、高密度、电子移动速度极快等特点。

　　马希尔·高迪是美国加州大学洛杉矶分校的研究人员，也是埃及开罗大学的教研人员。他介绍称，在研究提取石墨烯的实用方法时，他发现了石墨烯许多优良的属性，由于这些属性，用石墨烯制造的超级电容的储电能力是现有超级电容的两倍之多。

　　超级电容主要用来存储太阳能电池板产生的电能，中国与荷兰已经在实际应用当中使用了超级电容。

　　高迪强调，用石墨烯制造的超级电容具有“充电过程仅需1秒”的特点，而这还是在充电过程具有30毫秒响应时间的前提下。事实上，目前超级电容的充电过程需要大约90秒。同时，这种电容体积很小，仅有7至8微米厚，而人的头发直径为50微米。

　　这位埃及科学家表示，使用石墨烯可以制造适用于智能手机、平板电脑与笔记本电脑的电池。这种电池的平均充电时间为30秒，而这短短30秒的充电时间可以让笔记本电脑工作数日，更可以让智能手机与平板电脑工作数周。

　　他还指出，石墨烯电池具有柔韧性与可折叠性;此外，它是一种无毒材料，并且对环境无害。

　　高迪表示，他的研究成果将在短短几年后出现商业化产品，目前他已经选择了一家名为MaxwellTechnology的公司进行商业化生产。

　　高迪的这项创新是电池与超级电容行业的重大转变。与电脑与电子行业相比，电池与超级电容行业还没有显着的发展，但是后者却在前者当中发挥着巨大的作用。因此，高迪表示，以石墨烯为原料的电池与电容将会极大地推动上述行业的发展。

　　硅基超级电容器可在数分钟内完成充放电

　　Vanderbilt大学研究人员提出了一种在硅基超级电容器内储存电力的新方法，超级电容器能在短时间内为手机充满电，可以连续工作数周而不用再充电。

　　研究报告发表在《自然》旗下的《ScientificReports》期刊上。研究人员提出了新的超级电容器储存电力方法，不是将电能以化学反应形式储存，而是通过在多孔材料表面聚集离子的方式储存电力。新的方法可以在数分钟内充放电，可以运作数百万周期，而不是普通电池的数千充放电周期。

　　不可否认，这些研究都具有一定的价值，但是离真正的量产化和低成本还有不小的距离。一旦超级电容在能量密度和成本上的研究获得突破，必然会对整个储能行业和新能源产业带来巨大的冲击和改变。