據(jù)外媒報(bào)道，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)（Technical University Munich，TUM）的合作團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款超高效超級(jí)電容器。該款儲(chǔ)能裝置以新穎、強(qiáng)大且具可持續(xù)性的石墨烯混合材料為基礎(chǔ)，性能數(shù)據(jù)與當(dāng)前使用的電池相當(dāng)。
由MOF與石墨烯酸制成的石墨烯混合材料（圖片來(lái)源：慕尼黑工業(yè)大學(xué)）
通常，儲(chǔ)能設(shè)備與為電子設(shè)備提供能量的電池以及蓄電池相關(guān)。不過(guò)，如今越來(lái)越多的筆記本電腦、手機(jī)或汽車開始安裝超級(jí)電容器。
與電池不同，超級(jí)電容器能夠快速存儲(chǔ)大量的能量，并以同樣快的速度釋放大量能量。例如，如果列車進(jìn)站時(shí)剎車，超級(jí)電容器就會(huì)存儲(chǔ)能量，并在列車啟動(dòng)需要快速得到大量能量時(shí)將能量提供給列車。
但是，迄今為止，超級(jí)電容器都有一個(gè)問題，即能量密度不足。鋰蓄電池的能量密度可高達(dá)265 KW/h，而超級(jí)電容器的能量密度只達(dá)其十分之一。
可持續(xù)性材料提供高性能
現(xiàn)在，與慕尼黑工業(yè)大學(xué)合作的團(tuán)隊(duì)為超級(jí)電容器研發(fā)了一種新穎、強(qiáng)大且具可持續(xù)性的石墨烯混合材料，可在儲(chǔ)能設(shè)備中充當(dāng)正極。研究人員正將其與基于鈦和碳制成的負(fù)極相結(jié)合。
此種新型儲(chǔ)能設(shè)備不僅能量密度能夠達(dá)到73 Wh/kg（與鎳金屬氫電池的能量密度相當(dāng)），而且比現(xiàn)有大多數(shù)其他超級(jí)電容器的性能更優(yōu)，功率密度達(dá)16 kW/kg。該款新型超級(jí)電容器的秘訣是其結(jié)合了各種不同的材料，因此化學(xué)家將其稱為“非對(duì)稱”超級(jí)電容器。
混合材料：大自然就是模范
研究人員利用一種新策略——混合材料來(lái)克服標(biāo)準(zhǔn)材料的性能限制。研究人員表示：“自然界中充滿了復(fù)雜、因進(jìn)化而得到優(yōu)化的材料，如骨頭和牙齒，此類材料的硬度和彈性等機(jī)械性能都通過(guò)與各種材料的自然組合而得到了優(yōu)化。”
研究團(tuán)隊(duì)將結(jié)合基礎(chǔ)材料的抽象概念轉(zhuǎn)移應(yīng)用于超級(jí)電容器。在此基礎(chǔ)上，他們?cè)谠搩?chǔ)能設(shè)備中采用了在化學(xué)性能上得到優(yōu)化的石墨烯正極，將其與納米結(jié)構(gòu)金屬有機(jī)框架材料，即MOF相結(jié)合。
強(qiáng)大且穩(wěn)定
石墨烯混合材料一方面具有較大的比表面積和可控的孔徑大小，另一方面還有較高的導(dǎo)電率，也是該款超級(jí)電容器達(dá)到較高性能的決定性因素。
由MOF與石墨烯酸制成的石墨烯混合材料（圖片來(lái)源：慕尼黑工業(yè)大學(xué)）
較大的比表面積對(duì)于實(shí)現(xiàn)良好的超級(jí)電容器至關(guān)重要，能夠讓材料內(nèi)部各自收集較大數(shù)量的載流子，這也是存儲(chǔ)電能的基本工作原理。
利用巧妙的材料設(shè)計(jì)，研究人員將石墨烯酸與MOF聯(lián)系在一起，最終得到的混合MOF具有非常大的內(nèi)表面積，可達(dá)900平方米/克，能作為超級(jí)電容器的高性能正極。
長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性
不過(guò)，這也不是該種新材料的唯一優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)一種化學(xué)上具有穩(wěn)定性的混合材料，材料的不同成分之間需要強(qiáng)大的化學(xué)鍵，與蛋白質(zhì)和氨基酸之間的化學(xué)鍵相同。因此，研究人員將石墨烯酸與一種MOF氨基酸連接起來(lái)，從而形成了一種肽鍵。
納米結(jié)構(gòu)組件之間的穩(wěn)定連接在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，此類化學(xué)鍵越穩(wěn)定，充放電循環(huán)的次數(shù)就會(huì)越多，而且不會(huì)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的性能造成顯著損害。
相比之下，普通鋰蓄電池的使用壽命約為5000次充放電循環(huán)，而慕尼黑工業(yè)大學(xué)研發(fā)的新型超級(jí)電容器即使在1萬(wàn)次充放電循環(huán)后，仍可以保留近90%的容量。