超級電容器生產(chǎn)難點_碳樹成為超級電容器電極的新選擇

　　來自加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）HenrySamueli工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的機械工程師和其他四家機構(gòu)為超級電容器設(shè)計了一個超高效和持久的電極。該設(shè)備的設(shè)計靈感來源于樹枝上樹葉的結(jié)構(gòu)和功能，相比其他設(shè)計效率要高出10倍以上。

　　與相同類型的電極相比，該種電極體積和重量更輕，卻可以能提供相同數(shù)量的能量儲存并且可以提供更高的功率。在實驗中，與使用類似碳材料制造的最佳可用電極相比，相同質(zhì)量可以產(chǎn)生30％更好的電容（存儲電荷的能力），這使得每個區(qū)域的電容提高30倍。它還產(chǎn)生了比其他設(shè)計高10倍的功率，并在超過10,000次充電周期后依然保留了初始電容的95％。這種新電極的設(shè)計以文章的形式發(fā)表在《NatureCommunications.》雜志上。

　　圖示新型電極的分支和葉片設(shè)計結(jié)構(gòu)，包括由石墨烯制成的空心圓柱形碳納米管陣列（“分支”）和銳邊花瓣狀結(jié)構(gòu)（“葉”）。

　　超級電容器是一種可反復(fù)充電的能量存儲設(shè)備，它可以比相同質(zhì)量的電池儲存更多的能量。他們還支持快速充電并且可以持續(xù)成百上千個循環(huán)周期。如今它們被用于混合動力汽車的再生制動系統(tǒng)和其他應(yīng)用。超級電容器技術(shù)的進步，可以使它們廣泛應(yīng)用于甚至替代日常家用電子產(chǎn)品中更熟悉的電池。

　　工程師們知道超級電容器可以變得更加強大，但是關(guān)鍵挑戰(zhàn)是生產(chǎn)更加有效和耐用的電極。超級電容器電極吸引離子，離子存儲著能量并將其帶到超級電容器的表面，在電容器表面的能量就可以自由使用了。超電容器中的離子儲存在電解質(zhì)溶液中。電極能快速傳遞儲存電能的能力很大程度上取決于它能與電解液交換多少離子：離子交換的速率越快，他就可以存儲更多的能量。

　　清楚了這一點后，研究人員設(shè)計了表面積最大化的電極以來吸引更多的電子。他們從樹木的結(jié)構(gòu)中汲取了靈感，因為樹木的葉子表面面積，能夠吸收大量的二氧化碳進行光合作用。

　　這個研究的主要研究者，加州大學(xué)洛杉磯分校的機械和航天工程教授TimFisher說：“我們經(jīng)常在自然界中尋找靈感，植物也找到了吸收環(huán)境中二氧化碳等化學(xué)物質(zhì)的最佳方法。事實上，在這個方案中，我們使用的的這個想法要比自然界的范圍小得多，大概只有百萬分之一。”

　　研究人員使用了由兩種碳原子復(fù)合組成的納米材料來創(chuàng)造這種分支-葉子設(shè)計結(jié)構(gòu)。這些樹枝是直徑約20nm至30nm的中空圓柱形碳納米管構(gòu)成。葉子是由超薄石墨烯層構(gòu)成的大約100納米寬的尖銳花瓣狀結(jié)構(gòu)，排列在碳納米管的周圍，這樣可以使電極變得更加穩(wěn)定。

　　工程師們把這種結(jié)構(gòu)組成了隧道形狀的排列。當(dāng)輸送能量的離子通過這些陣列的時候，在電解質(zhì)和電極表面所遇到的電阻將遠遠小于電極表面平坦時的電阻。該電極在酸性條件和高溫下也表現(xiàn)良好，在這兩種環(huán)境下都可以使用超級電容器。

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