超级电容：新材料带来更高的工作电压与能量密度！

导读

近日，日本东北大学的一支科研团队开发出一种新材料，它可用于制造工作电压更高的超级电容，且比其他材料更稳定。

背景

如今，节能环保越来越受到重视。作为一种新型储能元件，超级电容（Supercapacitor）引起了人们的广泛关注。

超级电容，又名电化学电容，双电层电容器、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它是一种介于普通电容与电池之间的一种元器件，由于储能的过程中没有发生化学反应，所以这种电容充放电可多达数十万次。

超级电容具有一个正极和一个负极，两个电极之间有一层隔膜，在正负极和隔膜之间以电解液填充，多孔化的电极具有更大的表面积去吸附电解液的电荷，因此容量可以达到很大。

超级电容的原理示意图（图片来源：维基百科）

超级电容具有成本低、耐低温、功率密度高、充电速度快、使用寿命长、环境友好等优势。因此，超级电容可应用于一系列领域，例如汽车、可穿戴设备、医疗、备用电源、机械装置、智能仪表等。

配备超级电容的丰田混合动力赛车TS040（图片来源：维基百科）

打印在纺织品上石墨烯超级电容（图片来源：曼彻斯特大学）

可是在能量密度要求较高、工作周期较长的应用场景中，超级电容可能会存在一些不足之处。第一，能量密度低，超级电容能量密度约为大多数蓄电池的20%左右，这就意味着存储相同的电量，超级电容器的体积要比蓄电池要大很多；第二，耐压低，目前的超级电容耐压远低于普通电容，电压大约为1伏~3伏，不利于驱动大功率设备。

长期以来，科学家们一直在为可满足能源密集型应用（例如汽车）需求的超级电容寻找高性能材料。日本东北大学材料科学家、相关论文合著者之一的 Hirotomo Nishihara 表示：“找到既能在高电压下又能在严苛环境下运行的材料，非常具有挑战性。”

创新

近日，日本东北大学的一支科研团队开发出一种新材料，它可用于制造工作电压更高的超级电容，且比其他材料更稳定。他们的研究最近发表在《能源与环境科学（Energy and Environmental Science）》期刊上。

（图片来源：参考资料【2】）

Nishihara 及其同事们与超级电容制造公司（TOC Capacitor Co.）合作开发出一种新材料，它在高温、高电压条件下具备超高稳定性。

技术

按照惯例来说，超级电容的电极采用的是活性碳，但是电容基本构建模块单元中的低电压却限制了这些超级电容的应用。这意味着，大量的单元必须被堆叠到一起，实现所需的电压。重点是，新材料具备更高的单元电压，可减少堆叠的数量，使设备变得更加紧凑。

开发出来的GMS薄片以及连接两个LED的超级电容（图片来源：Hirotomo Nishihara）

新材料是由一个连续的石墨烯介孔海绵（含有纳米孔的碳基材料）三维框架组成。这种材料的关键特征是无缝的：它含有非常少量的碳边缘（腐蚀反应产生的地方），这使得它变得非常稳定。

研究人员们通过电子显微镜以及一系列物理测试（包括X射线衍射和振动光谱技术），研究了他们的新材料的物理特性。他们也通过活性碳作为对比基准，测试了商用的石墨烯基材料，包括单壁碳纳米管、还原的氧化石墨烯、三维石墨烯。

技术

他们展示了，这种材料在传统有机电解液中“60°C高温与3.5伏高电压”条件下，以及“25°C与4.4伏”的条件下，都具有卓越的稳定性。更进一步说，它在4.4伏电压条件下具有比传统活性碳材料高2.7倍的能量密度。Nishihara 表示：“这创造了对称超级电容中的碳材料电压稳定性的世界记录。”

这种新材料为开发高度耐用、高电压的超级电容器铺平了道路，并将应用于包括机动车辆在内的许多领域。

关键字

超级电容、汽车、石墨烯

参考资料

【1】https://www.tohoku.ac.jp/en/press/press20190207_new_materials.html

【2】Keita Nomura, Hirotomo Nishihara, Naoya Kobayashi, Toshihiro Asada, Takashi Kyotani. 4.4 V supercapacitors based on super-stable mesoporous carbon sheet made of edge-free graphene walls. Energy & Environmental Science, 2019; DOI: 10.1039/C8EE03184C

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