DQZHAN技術(shù)訊：發(fā)現(xiàn)：高性能輕質(zhì)超級電容器電極
超級電容器作為一種性質(zhì)優(yōu)良的能量儲存設備，具有超高的充/放電的速率，穩(wěn)定性也**，使用壽命也很長并且能量密度也很高。想象一下如果你能在幾秒鐘之內(nèi)給你的手機充滿電，甚至給電動汽車充滿電也用不了幾分鐘，超級電容器在不遠的將來就能實現(xiàn)這樣的情景。
盡管擁有良好的應用前景，并且也具有比傳統(tǒng)電池更快的充電速度與續(xù)航能力，但是相應的，超級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，很多科學家都在試圖解決這一問題，希望能制備出綠色低成本的高性能輕質(zhì)超級電容器。
來自印度S.N. Bose國家基礎科學研究中心的兩位學者研發(fā)出了一種超級電容器，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合材料，內(nèi)部包裹著導電性良好的鐵鎳合金。
在這周美國物理學會出版集團的期刊《應用物理雜志》上，他們的文獻報道了上述復合電極的合成方法。他們還做了跟其他電池的對比試驗。由于氧化鎳和氧化鐵都是性價比非常高的環(huán)保材料，因此滿足綠色低成本超級電容的要求。
“復合電極表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學性質(zhì)，它的電容量(儲存電能的能力)達1415法拉每克，能量密度達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國家基礎科學研究中心凝聚態(tài)物理與材料科學系的**科學家，Ashutosh K. Singh這樣說道。“它同樣具有很高的循環(huán)穩(wěn)定性，換句話說，在經(jīng)過3000次充/放電后，該電極仍能具有原始容量的95%?！?
超級電容器的優(yōu)點
超級電容器的特點是能存儲大量的電能。它們也被稱為電化學電容，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。
在儲能設備中，單位質(zhì)量中蘊含的電能稱為“能量密度”,而“功率密度”指的是設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，能儲存大量的電能，但是它的充電時間可能要達到幾個小時。超級電容器就像傳統(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，高能量密度和低電阻，因此超級電容器有望取代電池成為高效、可靠甚至更**的電源。
在超級電容中，高電容，也就是儲存電荷的能力，是實現(xiàn)高能量密度的關鍵。同時，為了實現(xiàn)高功率密度，它就得具有較大的電化學可及表面積、高電導率和能讓離子快速通過的通道。納米結(jié)構(gòu)材料能滿足以上這些要求。
科學家們是怎樣合成新電極的
受先前在電導率方面研究的啟發(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電容器?！?Singh告訴我們。
在Singh的實驗中，核/殼納米結(jié)構(gòu)的合成需要以下兩個步驟。首先，通過標準電沉積技術(shù)，研究人員得到了排列整齊的氧化鎳納米線，這些納米線生長在經(jīng)過陽極化處理的氧化鋁基底上，接著溶解掉基底分理出復合納米線。然后，研究人員將這些納米線放置在450℃的強氧環(huán)境中，時間控制的較短，*后再組裝得到高孔隙度的氧化鎳復合電極殼以及內(nèi)部的鐵鎳合金核。
“這種核/殼復合納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)點就是高孔隙度的殼納米層為氧化還原反應提供了非常大的表面，并且縮短了離子擴散的距離，” Singh說。超級電容器是通過氧化還原反應來儲存電荷的，這其中就涉及到了一種物質(zhì)給予電子，同時離子通過電解液和電極在兩極間轉(zhuǎn)移。進行氧化還原反應的表面積越大，超級電容器的功率密度就越大。
Singh接著補充道：“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集電器，這使得電極的電導率及其他電化學性能非常的好，能夠滿足高性能超級電容器的要求。”
新電極的表現(xiàn)
通過循環(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性能。實驗設置了一個對照組，沒有納米結(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?！皩嶒瀸Ρ冉Y(jié)果表明將鎳/氧化鎳電極與鐵/氧化鐵電極組合起來之后，能得到具有更好電化學性能的電極，這意味著復合電極能提升超級電容器的性能?！?
Singh的合成方法有一個特點，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，粘合劑通常會在碳基或石墨烯基超級電容器的合成中使用，它的作用是將參加氧化還原反應的物質(zhì)粘合在電極表面。由于沒有粘合劑的存在，這種復合電極很適合制備輕質(zhì)超級電容器。
Singh總結(jié)道：“實驗結(jié)果說明，氧化鐵-氧化鎳的核/殼納米結(jié)構(gòu)電**有優(yōu)異的電化學性能，很適合用來制備輕質(zhì)、低成本和環(huán)保的超級電容器電極，具備現(xiàn)實應用的可能?！?
研究人員下一步的計劃是在復合電極的基礎上制備出一個完整的超級電容器設備，并測試其功能表現(xiàn)?？傊?，我們離超級電容的工業(yè)生產(chǎn)又近了一步。(翻譯：木成)
