DQZHAN技術(shù)訊：發(fā)現(xiàn)：高性能輕質(zhì)超級(jí)電容器電極
超級(jí)電容器作為一種性質(zhì)優(yōu)良的能量?jī)?chǔ)存設(shè)備，具有超高的充/放電的速率，穩(wěn)定性也**，使用壽命也很長(zhǎng)并且能量密度也很高。想象一下如果你能在幾秒鐘之內(nèi)給你的手機(jī)充滿電，甚至給電動(dòng)汽車(chē)充滿電也用不了幾分鐘，超級(jí)電容器在不遠(yuǎn)的將來(lái)就能實(shí)現(xiàn)這樣的情景。
盡管擁有良好的應(yīng)用前景，并且也具有比傳統(tǒng)電池更快的充電速度與續(xù)航能力，但是相應(yīng)的，超級(jí)電容器所占用的體積以及它的重量比相同容量的電池大得多。因此，很多科學(xué)家都在試圖解決這一問(wèn)題，希望能制備出綠色低成本的高性能輕質(zhì)超級(jí)電容器。
來(lái)自印度S.N. Bose國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)研究中心的兩位學(xué)者研發(fā)出了一種超級(jí)電容器，它的電極結(jié)構(gòu)比較特殊，外殼層是由氧化鎳與氧化鐵組成的復(fù)合材料，內(nèi)部包裹著導(dǎo)電性良好的鐵鎳合金。
在這周美國(guó)物理學(xué)會(huì)出版集團(tuán)的期刊《應(yīng)用物理雜志》上，他們的文獻(xiàn)報(bào)道了上述復(fù)合電極的合成方法。他們還做了跟其他電池的對(duì)比試驗(yàn)。由于氧化鎳和氧化鐵都是性價(jià)比非常高的環(huán)保材料，因此滿足綠色低成本超級(jí)電容的要求。
“復(fù)合電極表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性質(zhì)，它的電容量(儲(chǔ)存電能的能力)達(dá)1415法拉每克，能量密度達(dá)2.5安培每克，它的電阻非常小，而且功率密度非常高，” S.N. Bose國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)研究中心凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)系的**科學(xué)家，Ashutosh K. Singh這樣說(shuō)道?！八瑯泳哂泻芨叩难h(huán)穩(wěn)定性，換句話說(shuō)，在經(jīng)過(guò)3000次充/放電后，該電極仍能具有原始容量的95%。”
超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)
超級(jí)電容器的特點(diǎn)是能存儲(chǔ)大量的電能。它們也被稱為電化學(xué)電容，擁有極高的功率密度，充放電速率高，循環(huán)穩(wěn)定性好和極高的能量密度。
在儲(chǔ)能設(shè)備中，單位質(zhì)量中蘊(yùn)含的電能稱為“能量密度”,而“功率密度”指的是設(shè)備獲得或給予能量的速率。傳統(tǒng)電容器的功率密度很高，但是能量密度并不算高，這意味著它們的充放電速率很高，但是所能儲(chǔ)存的電能并不多。
傳統(tǒng)電池在這方面與傳統(tǒng)電容的表現(xiàn)恰恰相反。電池有著較高的能量密度，能儲(chǔ)存大量的電能，但是它的充電時(shí)間可能要達(dá)到幾個(gè)小時(shí)。超級(jí)電容器就像傳統(tǒng)電池和傳統(tǒng)電容的綜合體，擁有它們兩者的所有優(yōu)點(diǎn)，高能量密度和低電阻，因此超級(jí)電容器有望取代電池成為高效、可靠甚至更**的電源。
在超級(jí)電容中，高電容，也就是儲(chǔ)存電荷的能力，是實(shí)現(xiàn)高能量密度的關(guān)鍵。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)高功率密度，它就得具有較大的電化學(xué)可及表面積、高電導(dǎo)率和能讓離子快速通過(guò)的通道。納米結(jié)構(gòu)材料能滿足以上這些要求。
科學(xué)家們是怎樣合成新電極的
受先前在電導(dǎo)率方面研究的啟發(fā)，摻雜不同的金屬氧化物材料能提高電導(dǎo)率，Singh和他的同事Kalyan Mandal教授將氧化鎳和氧化鐵制成了雜化材料，接著組裝成具有特殊核/殼結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)電極。
“通過(guò)改變使用的材料和電極的形態(tài)，我們就能得到不同性能的超級(jí)電容器?！?Singh告訴我們。
在Singh的實(shí)驗(yàn)中，核/殼納米結(jié)構(gòu)的合成需要以下兩個(gè)步驟。首先，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電沉積技術(shù)，研究人員得到了排列整齊的氧化鎳納米線，這些納米線生長(zhǎng)在經(jīng)過(guò)陽(yáng)極化處理的氧化鋁基底上，接著溶解掉基底分理出復(fù)合納米線。然后，研究人員將這些納米線放置在450℃的強(qiáng)氧環(huán)境中，時(shí)間控制的較短，*后再組裝得到高孔隙度的氧化鎳復(fù)合電極殼以及內(nèi)部的鐵鎳合金核。
“這種核/殼復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就是高孔隙度的殼納米層為氧化還原反應(yīng)提供了非常大的表面，并且縮短了離子擴(kuò)散的距離，” Singh說(shuō)。超級(jí)電容器是通過(guò)氧化還原反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存電荷的，這其中就涉及到了一種物質(zhì)給予電子，同時(shí)離子通過(guò)電解液和電極在兩極間轉(zhuǎn)移。進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的表面積越大，超級(jí)電容器的功率密度就越大。
Singh接著補(bǔ)充道：“鐵鎳核為電子的轉(zhuǎn)移提供了高速通道，能讓電子更快的到達(dá)集電器，這使得電極的電導(dǎo)率及其他電化學(xué)性能非常的好，能夠滿足高性能超級(jí)電容器的要求。”
新電極的表現(xiàn)
通過(guò)循環(huán)伏安法和恒流充/放電法，Singh和Mandal深入研究了這種雜化材料電極的電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了一個(gè)對(duì)照組，沒(méi)有納米結(jié)構(gòu)的電極，比如鎳/氧化鎳電極和鐵/氧化鐵電極，結(jié)果表明，核/殼結(jié)構(gòu)的電**有更高的電容，更高的能量密度以及更多的充/放電次數(shù)。
“具體來(lái)講，雜化材料電極的能量密度分別是鎳/氧化鎳和鐵/氧化鐵電極的3倍和24倍，” Singh這樣說(shuō)?！皩?shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明將鎳/氧化鎳電極與鐵/氧化鐵電極組合起來(lái)之后，能得到具有更好電化學(xué)性能的電極，這意味著復(fù)合電極能提升超級(jí)電容器的性能?！?
Singh的合成方法有一個(gè)特點(diǎn)，那就是它不需要額外的粘合劑材料。根據(jù)從Singh處了解到的情況，粘合劑通常會(huì)在碳基或石墨烯基超級(jí)電容器的合成中使用，它的作用是將參加氧化還原反應(yīng)的物質(zhì)粘合在電極表面。由于沒(méi)有粘合劑的存在，這種復(fù)合電極很適合制備輕質(zhì)超級(jí)電容器。
Singh總結(jié)道：“實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，氧化鐵-氧化鎳的核/殼納米結(jié)構(gòu)電**有優(yōu)異的電化學(xué)性能，很適合用來(lái)制備輕質(zhì)、低成本和環(huán)保的超級(jí)電容器電極，具備現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的可能。”
研究人員下一步的計(jì)劃是在復(fù)合電極的基礎(chǔ)上制備出一個(gè)完整的超級(jí)電容器設(shè)備，并測(cè)試其功能表現(xiàn)。總之，我們離超級(jí)電容的工業(yè)生產(chǎn)又近了一步。(翻譯：木成)
