超級電容因充放電速度快、功率密度高等因素成為能源儲存系統的研究熱門(mén)。目前超級電容都是利用比表面積大的碳基材料制成，比如碳納米管、石墨烯以及活性炭等。如今，有科學(xué)家研制出了首個(gè)不含碳的超級電容，同時(shí)性能還超過(guò)了碳基材料。此不含碳基的電容材料優(yōu)化后，儲電潛力可能是目前碳基超級電容的3倍。
英國當地時(shí)間10月10日，上述研究成果在權威雜志《自然》的子刊《自然材料》（NatureMaterials）上在線(xiàn)發(fā)表。研究者為美國麻省理工學(xué)院（MIT）化學(xué)系的副教授MirceaDinc?等6人的團隊。
以往的含碳的超級電容一般在生產(chǎn)過(guò)程中需要800℃以上的高溫以及刺激性強的化學(xué)物質(zhì)，新的不含碳超級電容則不需要。
Ni3(HITP)2的結構示意圖
MirceaDinc?的團隊研制出的不含碳的超級電容，是用一種金屬—有機框架材料的（metal-organicframeworks，MOFs）Ni3(HITP)2代替此前的含碳材料。MOFs具有像海綿一樣的多孔性結構，其表面積比碳基材料大很多，而超大表面積對于超級電容性能表現非常重要。因為超級電容的電容和充電—放電速率分別與表面積和電導率成比例，所以在超級電容中一般盡可能選用比表面積大的材料。不過(guò)，MOFs有一個(gè)大的缺陷，它們沒(méi)有超級電容要求的電子傳導性。MirceaDinc?表示，雖然他們認為讓MOFs具有導電性被認為極其困難，但他們最終展現了MOFs非常好的離子傳導性能。
測試表明，新超級電容充放電1萬(wàn)次后儲能損失不到10%，在許多關(guān)鍵性能參數的表現上，已經(jīng)相當于甚至超越了現有的碳基材料的超級電容。
不過(guò)，MirceaDinc?稱(chēng)，這還只是個(gè)開(kāi)始，MOFs材料還有很大的優(yōu)化潛力。因為MirceaDinc?使用的MOFs是已知的最低表面積的MOFs之一，并且這些MOFs材料中的一些比表面積可以是碳基材料的三倍，相對應儲電性能將會(huì )提高很多。
MirceaDinc?稱(chēng)，“目前的雙電層電容器都是碳基材料的，我們這是第一個(gè)非碳的雙電層超級電容。”比利時(shí)魯汶天主教大學(xué)的化學(xué)教授A(yíng)lexandruVlad稱(chēng)，從科學(xué)和應用的角度來(lái)看，這是個(gè)非常重要的發(fā)現。他補充說(shuō)，超級電容器不會(huì )再單是由碳基材料主導了?，F在MirceaDinc?等人提供的突破：他們設計了具有高表面積和高觸點(diǎn)性能的MOFs電容，從而挑戰了超級電容器此前的價(jià)值鏈。
MirceaDinc?表示，除了比碳基材料稍貴外，MOFs的優(yōu)勢明顯，比表面積大，生產(chǎn)中的溫度和化學(xué)條件都不再?lài)揽?，比較容易得到。未來(lái)除了用于超級電容外，MOFs還能用于儲存天然氣、生產(chǎn)可調節亮度的窗戶(hù)以及醫用或安全性檢測的化學(xué)探測器。
如果MOFs的超級電容將來(lái)用在汽車(chē)上，充電將不再是電動(dòng)車(chē)推廣的瓶頸。此外，該團隊也表示，超級電容器具有更高的儲電能力，同樣可以在可再生能源的廣泛發(fā)展中發(fā)揮重要作用。同時(shí)，超級電容器儲能系統還可以在負荷低落時(shí)儲存電源的多余電能，而在負荷高峰時(shí)回饋給微電網(wǎng)以調整功率需求，對微電網(wǎng)起到必要的能量緩沖作用。
不過(guò)，完美的電容材料比電池電極材料更難研發(fā)。此次MirceaDinc?團隊研發(fā)的全新不含碳的超級電容或將給超級電容的發(fā)展帶來(lái)一抹亮色。
（轉載自：中國機械工業(yè)聯(lián)合會(huì )機經(jīng)網(wǎng)）
