日本將摻硼納米金剛石用作超級電容器電極

2020-11-25 車質網

　　據外媒報導，現在，人們對由電池驅動的設備和電器的使用一直在穩步增長，同時也使得對安全、高效和高性能電源的需求在不斷上漲。而一種稱為超級電容器的電能存儲設備最近開始被認為是一種實用、甚至更好的能量存儲設備，可以代替目前廣泛使用的鋰離子電池等儲能設備。超級電容器的充放電速度更快，能夠持續工作的時間也更長，因而可用於車輛再生制動、可穿戴電子設備等各種應用。

圖片來源：東京理科大學

　　不過，儘管超級電容器的潛力很大，目前仍有一些缺點阻礙其得到廣泛應用。主要問題之一就是能量密度低，即單位面積空間所存儲的能量不足。一開始，科學家們嘗試利用有機溶劑作為超級電容器的電解液（作為傳導介質）以解決該問題，提高產生的電壓（注意，在能量存儲設備中，電壓的平方與能量密度成正比）。但是，有機溶劑很昂貴且導電率低。因此，科學家們認為，也許水電解質會更好。自此，研發配備水電解質的高效超級電容器元件成為了該領域的中心研究課題。最近取得研究突破的科學家Takeshi Kondo表示：「如果能夠利用不易燃、無毒且安全的水電解質製成高性能的超級電容器，該超級電容器能夠整合至可穿戴設備和其他設備，為物聯網帶來好處。」

　　Kondo博士與東京理科大學（Tokyo University of Science）團隊以及日本化學公司Daicel Corporation合作，探索利用摻硼納米金剛石（boron-doped nanodiamond）作為超級電容器電極的可能性，電極是電池或電容器中的導電材料，它將電解液與外部電線連接，將電流輸送出系統。該研究團隊選擇該電極材料是基於這樣一種認識，即摻硼金剛石具有寬電位窗，能夠讓高儲能設備在長時間內保持穩定。Kondo博士表示：「我們認為，如果將導電金剛石用作電極材料，就可以讓水基超級電容器產生大電壓。」

　　科學家們採用了一種名為微波等離子體輔助化學氣相沉積（MPCVD）的技術來製造此類電極，並通過測試驗證性能。他們發現，在含有水硫酸電解液的雙電極系統中，此類電極產生的電壓比傳統電池的高得多，因此超級電容器的能量和功率密度也會高得多。此外，他們還發現，即使經過1萬次的充放電循環，該電極仍然非常穩定。

　　獲得成功之後，科學家們接著探索，如果將電解液變成飽和高氯酸鈉溶液，此種電極材料是否會擁有同樣的性能。眾所周知，飽和高氯酸鈉溶液能夠產生比傳統硫酸電解液更高的電壓。實際上，該裝置已經產生了更高的電壓。因此，正如Kondo博士所說：「摻硼納米金剛石電極對於水基超級電容器非常有用，而此類超級電容器適合用作高速充放電的高儲能設備。」

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