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锂电池霸主地位岌岌可危!新型高效超级电容器性能相当 寿命还更长

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锂电池霸主地位岌岌可危!新型高效超级电容器性能相当 寿命还更长

2021-06-15

北极星储能网讯:近日,慕尼黑工业大学(TUM)无机和金属有机化学教授Roland Fischer的团队研发出了一种高效的超级电容器。该储能装置采用了一种既新型又强大、同时也是可持续发展的石墨烯混合材料作为正极,与基于钛和碳的成熟负极相结合,其性能数据与目前使用的电池基本相当。
超级电容器与电池的不同之处在于,它们可以快速储存大量能量,并以同样快的速度释放。例如,列车在进站时刹车,超级电容器就会储存能量,并在列车启动时非常快速地再次提供能量。然而,此前由于能量密度问题,超级电容器的发展一直止步不前:锂蓄电池的能量密度可达265千瓦时(KW/h),而超级电容器只能达到其十分之一。
不过,TUM此次的研究成果成功解决了上述问题。新型储能装置不仅能量密度高达73 Wh/kg,大致相当于镍氢电池的能量密度,而且在功率密度为16 kW/kg的情况下,其性能也远超其他大多数超级电容器。而其秘密就在于不同材料的组合,化学家们将这种超级电容器称为“非对称”。
研究人员此次使用了化学改性的石墨烯作为新型超级电容器的正极,并将其与纳米结构的金属有机框架相结合,即所谓的MOF相结合。这种混合材料具有较大的比表面积和可控的孔径,而且导电性也较高,这是其性能的决定性因素。
要知道,一个大的表面对于好的超级电容器来说是很重要的。它允许在材料中分别收集大量的电荷,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。所得的混合MOFs具有非常大的内表面,每克高达900平方米。
不过,这并不是新材料的唯一优势。要想实现化学稳定的混合体,需要各组分之间有很强的化学键。石墨烯酸与MOF氨基酸连接起来,就形成了一种肽键。
研究人员指出,纳米结构成分之间的稳定连接,在长期稳定性方面有着巨大的优势。键越稳定,充放电循环次数就越多,而不会有明显的性能损害。传统的锂电蓄能器的使用寿命约为5000次,而新型超级电容器,即使在10000次循环后,仍能保持接近90%的容量。

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