手機電池總是不夠用?超級電容器或將引領下一代電池革命

2020-12-15 中科院物理所

超級電容器

超級電容器，是一種新型的具有遠超傳統電容器電容，以及超高儲能密度的電容器。通過在兩個隔離的極板上儲存相反電荷，超級電容器可以儲存大量的能量。與傳統電容器不同，超級電容器不再使用固態電介質，而是使用靜電雙電層電容和電化學贗電容。

靜電雙層電容使用碳材料電極達到傳導電極和電解液的亥姆霍茲雙層界面上的電荷分離，這種電荷分離在空間上達到埃的量級（0.3納米~0.8納米），遠遠小於傳統電容器。

超級電容器示意圖（圖片來源：維基百科）

多層電極超級電容器示意圖（圖片來源：維基百科）

電化學贗電容器使用金屬氧化物和高分子導電聚合物作為電極，藉助氧化還原反應和電吸附中的感應電荷轉移來實現超高的電荷存儲，也是超級電容器的一種。

更高，更快，更強

與傳統電池相比，超級電容器具有更高的能量密度（300W/kg~5000W/kg，約為電池的 5~10 倍）、更快的充放電速度（充電10秒~10分鐘可達到其額定容量的 95% 以上）以及更多的充放電循環（深度充放電循環使用次數可達 1~50 萬次，也就意味著更長的使用壽命）、更高的儲電放電效率（大電流能量循環效率超過 90%）。

現代生活已經離不開電池（圖片來源：4gifs.com）

超級電容器主要應用於需要快速充放電循環和短期能量存儲的場景，目前已經在汽車的啟停系統（減速或短停車時將動能轉化為電能儲存在超級電容器裡再在加速時電容器放電從而達到節油的目的）、超級電容公交車、城市軌道交通以及物流搬運車等領域開啟商用化進程。

同時在風力發電、光伏發電、電梯、港口機械和數據中心快速啟動、傳統消費電子領域如手機等方面具有較大發展前景，是未來儲能器件的重要組成部分。

這些發展離不開他們

超級電容器的快速發展離不開這三位卓越科學家的貢獻，他們在這一領域浸淫多年，是碳材料研究的先驅，率先提出很多新型碳材料的合成方法並推進了這些材料在儲能方面的應用。

尤裡·高果其（圖片來源：維基百科）

尤裡·高果其（Yury Gogotsi）是材料化學領域領先的烏克蘭科學家，自 2000 年以來在賓夕法尼亞州費城德雷塞爾大學擔任材料科學與工程和納米技術領域的教授。尤裡·高果其科學團隊在新型碳材料（納米碳管，石墨烯，納米鑽石，介孔碳和洋蔥碳）領域佔據領先地位，多次以先進方法製備出具有新奇性質的碳材料，並積極探索其在電池和電容器方面的應用，使得人類在高儲能密度領域向前邁進一大步。

他與特裡斯·西蒙（Patrice Simon）在碳納米材料的結構與電容性質的關係方面的先驅性的工作使得這一領域獲得突破性進展，促進超級電容器等新型儲能器件的產生與發展。尤裡·高果其團隊率先發現了新型的 Mxenes 材料，這種材料被證明在能量儲存以及其他領域具有巨大應用價值。他們團隊發展了新的合成多孔材料和低維材料的方法，這些材料包括碳基多孔材料、納米碳管、石墨烯以及各種二維碳化物，他首次提出使用熱液合成法合成碳納米管，並通過原位電子顯微鏡展示了功能性碳納米管中的水的反常超慢移動，這些研究大大推動了碳納米管領域的發展。

特裡斯·西蒙（圖片來源：維基百科）

特裡斯·西蒙（Patrice·Simon）是法國土魯斯的保羅薩巴蒂爾大學材料科學領域的教授。他的研究主要集中在電化學能量儲存納米材料的合成方面，包括電化學電容器和鋰離子電池系統。同時他在超級電容器的碳多孔材料的研究也有很多貢獻，他提出了通過比較阻抗變化的方法來計算電氣系統的老化的方法，發現了新型碳材料在儲能器件以及雙層電容器期間方面的應用。

羅德尼·S·魯奧夫（圖片來源：維基百科）

羅德尼·S·魯奧夫（Rodney S. Ruoff）是美國物理化學家和納米科學家，目前在韓國（國立）蔚山科學技術院擔任特聘教授。他和他的研究團隊的工作促進了人類在新型碳納米材料方面的理解。他是碳納米結構諸如富勒烯、碳納米管、石墨烯等方面的世界級專家之一。他和 A. L. Ruoff在富勒烯在高壓下的力學響應上的預測工作以及他和合作者在 C60在不同溶液系統中的溶解現象的工作闡明了閉合殼層碳結構的新奇性質。他也合作發展了新的用於測量單壁碳納米管束的力學響應的原位力學檢測技術。

他的團隊於 2008 年首次使用石墨烯作為超級電容器的電極材料，最近，他們還報導了一種新的超高比表面積負曲率碳材料和原子層厚度的碳多孔材料（孔徑從 0.6 納米到 5 納米）。根本他們的研究表明，這種多孔碳是一種非常理想的雙層超級電容器電極材料。

參考文獻:

[1] Supercapacitor, Wikipedia

[2] 材料人報告 | 德國克塞爾大學Yury Gogotsi教授SCI發文數據縱覽

[3] Yury_Gogotsi , Wikipedia

[4] Prof.Patrice Simon from University of Paul Sabatier France visits IMR

[5] RodneyvS. Ruoff , Wikipedia

[6] Stoller, M. D.; Park, S.; Zhu, Y.; An, J.; Ruoff, R. S. (2008). "Graphene-Based Ultracapacitors". Nano Letters. 8 (10): 3498–502.

[7] Zhu, Y.; Murali, S.; Stoller, M. D.; Ganesh, K. J.; Cai, W.; Ferreira, P. J.; Pirkle, A.; Wallace, R. M.; Cychosz, K. A.; Thommes, M.; Su, D.; Stach, E. A.; Ruoff, R. S. (2011). "Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene". Science. 332 (6037): 1537–1541.

出品 | 科普中國

製作 | 中科院物理所科學傳播協會

監製 | 中國科學院計算機網絡信息中心

編輯：可樂不加冰、Cloudiiink

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