在很多情況下,理想的儲能設備不是儲能量大但無法快速供能的電池,也不是存儲空間有限但供能迅速的超級電容器,而是結(jié)合二者優(yōu)點、能夠一舉兩得的裝置。我國和美國的科學家們發(fā)現(xiàn),氮可以將碳基超級電容器的儲能量提高兩倍,從而使其在儲能量方面與一些電池一較高下,向?qū)崿F(xiàn)理想的儲能裝置邁出了一大步。

強大的儲電孔隙!摻雜氮原子的碳管有助于提升超級電容器的儲能量。

現(xiàn)在使用的大多數(shù)超級電容器都依賴于碳基電極,因為其表面積大,可存儲更多電荷。上海硅酸鹽研究所的材料化學家黃富強說:"我們可以使碳成為更好的超級電容器。"

黃富強和他的同事們首先制作了多孔二氧化硅框架,將碳塞入孔中;而后蝕刻掉二氧化硅,形成寬度只有4到6納米的多孔管,每個管由多達5層類石墨烯的碳構(gòu)成;然后在碳中摻雜氮原子。氮改變了惰性碳,從而在超級電容器中發(fā)生化學反應,而不會影響其導電性。

這些反應使電容的儲能能力提升了兩倍,而不會削弱其快速充放電的能力。該設備的儲能能力為41瓦時/千克,與鉛酸電池相差無幾。

黃富強說:"好像我們已經(jīng)打破了音障相同。"

其他專家表示認同。澳大利亞昆士蘭科技大學物理學家農(nóng)西奧？莫托(NunzioMotta,未參加這項研究)說:"這些結(jié)果是超級電容器能量密度領(lǐng)域的一大飛躍。"

賓夕法尼亞大學的材料物理學家陳一葦也參加了這項突破性工作,他從理論上分析了該裝置可在電動交通中發(fā)揮的用途,給出了恰當?shù)恼撌觥Ｋf:"一輛巴士用8瓦時/千克的超級電容器可以跑5公里,然后在儲庫充電30秒后再次運行。這在一個小城市或機場是可行的,但顯然還有很多不足之處。我們的電池具有5倍的能量,所以它可以行駛25公里后仍以相同的速度充電。我們現(xiàn)在談的是交通運輸上的實際應用。"

位于休斯頓的萊斯大學的材料化學家詹姆斯？圖爾(JamesTour,未參加這項研究)認為,這種先進的超級電容器也可以用于可穿戴設備。他說:"手表、眼鏡、電子皮膚等裝置不宜使用過大過重的電池,因此輕巧高效的超級電容器可能是一個很好的選擇。"

這種新型超級電容器在儲能量上不及鋰離子電池,鋰離子電池的儲能量可達到70~250瓦時/千克。但研究人員們說,這種超級電容器在功率上超過了鋰離子電池,可出現(xiàn)26千瓦/千克的功率,而鋰離子電池則為0.2~1千瓦/千克。

他說,黃富強及其同事們正在研究以可擴展、穩(wěn)健和廉價的方式創(chuàng)建這些超級電容器的方法。他們還嘗試使用各種電解質(zhì)來進一步改進這些裝置。

昆士蘭科技大學的物理學家莫托說,未來的研究亦可專注于改善超級電容器的孔隙率,從而提升儲電量。他說:"但孔隙率的進一步提高可能會加大材料的脆弱性,這可能成為一道障礙。"