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石墨烯超级电容研发成功

据报道,德国慕尼黑工业大学(Technical University Munich,TUM)科研团队研发出一款超高效超级电容器。该款储能装置以新颖、强大且具可持续性的石墨烯混合材料为基础,性能数据出色。

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由金属有机框架(MOF)和石墨烯酸制成的石墨烯杂化材料是超级电容器极好的正电极,此其能量密度类似于镍氢电池。图片来源:J. Kolleboyina教授


迄今为止,超级电容器的一个普遍问题是它们缺乏能量密度。锂蓄电池的能量密度可达265千瓦时(KW/h),而超级电容器迄今为止只能提供其中的一小部分。与TUM的Roland Fischer合作的团队已经开发了一种新型的、强大的、可持续的石墨烯混合超级电容器材料,它用作储能装置中的正极。研究人员正在将其与经过验证的基于钛和碳的负极结合在一起。


研究小组报告说,这种新的储能装置不仅能达到高达73 Wh / kg的能量密度(大致相当于镍金属混合动力电池的能量密度),而且在大多数情况下的性能也要比大多数其他超级电容器好。功率密度为16 kW / kg。新型超级电容器的秘密在于不同材料的组合——因此,化学家称这种超级电容器为“asymmetrical”。


研究人员采用了一种新的策略来克服标准材料的性能限制-他们利用混合材料。“自然界充满了高度复杂,经过进化优化的混合材料-骨头和牙齿就是例子。通过自然地将各种材料组合在一起,可以优化它们的机械性能,例如硬度和弹性,” Roland Fischer说。在此基础上,研究人员使用了带有化学修饰石墨烯的新型存储单元正电极,并将其与纳米结构的金属有机骨架(即所谓的MOFs)结合使用。


石墨烯杂化物显示出大的比表面积和可控的孔径,以及高的电导率。“该材料的高性能是基于微孔MOFs与导电石墨烯酸的结合,”第一作者Jayaramulu Kolleboyina解释说。

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大比表面积对于超级电容器很重要。它允许在材料内收集大量的电荷载流子-这是电能存储的基本原理。通过巧妙的材料设计,研究人员实现了将石墨烯酸与MOFs相连接的壮举。由此产生的混合MOFs具有非常大的内表面,每克可达900平方米,作为超级电容器的正极性能非常好。但是,这并不是新材料的唯一优势。要获得化学稳定的杂化,需要组分之间有很强的化学键。根据Fischer的说法,这些键显然与蛋白质中氨基酸之间的键相同:“实际上,我们已经将石墨烯酸与MOF-氨基酸相连,从而产生了一种肽键。”就长期稳定性而言,纳米结构组件之间的稳定连接具有巨大优势:键越稳定,在不显著降低性能的情况下,可能进行的充电和放电循环就越多。


性能对比:一个经典的锂蓄电池的使用寿命约为5000次循环。由TUM的研究人员开发的新电池在10,000次循环后仍然保持接近90%的容量。

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