近日，慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）無機(jī)和金屬有機(jī)化學(xué)教授Roland Fischer的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種高效的超級電容器。該儲能裝置采用了一種既新穎又強(qiáng)大、同時也是可持續(xù)發(fā)展的石墨烯混合材料作為正，與基于鈦和碳的成熟負(fù)相結(jié)合，其性能數(shù)據(jù)與目前使用的電池基本相當(dāng)。
超級電容器與電池的不同之處在于，它們可以快速儲存大量能量，并以同樣快的速度釋放。例如，列車在進(jìn)站時剎車，超級電容器就會儲存能量，并在列車啟動時非?？焖俚卦俅翁峁┠芰?。然而，此前由于能量密度問題，超級電容器的發(fā)展一直止步不前：鋰蓄電池的能量密度可達(dá)265千瓦時（KW/h），而超級電容器只能達(dá)到其十分之一。
不過，TUM此次的研究成果成功解決了上述問題。儲能裝置不僅能量密度高達(dá)73 Wh/kg，大致相當(dāng)于鎳氫電池的能量密度，而且在功率密度為16 kW/kg的情況下，其性能也遠(yuǎn)超其他大多數(shù)超級電容器。而其秘密就在于不同材料的組合，化學(xué)家們將這種超級電容器稱為“非對稱”。
研究人員此次使用了化學(xué)改性的石墨烯作為超級電容器的正，并將其與納米結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)框架相結(jié)合，即所謂的MOF相結(jié)合。這種混合材料具有較大的比表面積和可控的孔徑，而且導(dǎo)電性也較高，這是其性能的決定性因素。
要知道，一個大的表面對于好的超級電容器來說是很重要的。它允許在材料中分別收集大量的電荷，這是電能存儲的基本原理。通過巧妙的材料設(shè)計(jì)，研究人員實(shí)現(xiàn)了將石墨烯酸與MOFs相連接的壯舉。所得的混合MOFs具有非常大的內(nèi)表面，每克高達(dá)900平方米。
不過，這并不是新材料的唯一優(yōu)勢。要想實(shí)現(xiàn)化學(xué)穩(wěn)定的混合體，需要各組分之間有很強(qiáng)的化學(xué)鍵。石墨烯酸與MOF氨基酸連接起來，就形成了一種肽鍵。
研究人員指出，納米結(jié)構(gòu)成分之間的穩(wěn)定連接，在長期穩(wěn)定性方面有著巨大的優(yōu)勢。鍵越穩(wěn)定，充放電循環(huán)次數(shù)就越多，而不會有明顯的性能損害。傳統(tǒng)的鋰電蓄能器的使用壽命約為5000次，而超級電容器，即使在10000次循環(huán)后，仍能保持接近90%的容量。
