來自印度S.N.Bose國家基礎科學研究中心的兩位學者研發出了一種具有復合納米結構的新型超級電容器，其擁有比現有的非復合超級電容器電極更優越的性能。由于氧化鎳和氧化鐵都是性價比很高的環保材料，因此滿足綠色低成本超級電容的要求。

近些年超級電容器作為一種性質優良的新型儲能設備吸引了眾多關注。它具有超高的充放電的速率、優良的穩定性、使用壽命長并且能量密度高的特點。想象一下你能在幾秒鐘之內給你的手機充滿電，甚至在幾分鐘之內將電動汽車充滿電的場景，超級電容器在不遠的將來就能把它變成現實。

盡管超級電容器有著比傳統電池更快的充電速度、更強的續航能力，但是未來很豐滿，現實很骨感，超級電容器所占用的體積以及重量比相同容量的電池要大得多。因此，很多科學家都致力于研發綠色低成本的高性能輕質超級電容器。來自印度S.N.Bose國家基礎科學研究中心的兩位學者研發出了一種具有復合納米結構的新型超級電容器，該電容器的外殼層是由氧化鎳與氧化鐵復合而成的，內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社的期刊《應用物理雜志》中報道了上述復合納米電極的合成方法。他們還證明其擁有比現有的非復合超級電容器電極更優越的性能。由于氧化鎳和氧化鐵都是性價比很高的環保材料，因此滿足綠色低成本超級電容的要求。

“復合電極表現出了優異的電化學性質，它的電容量(即儲存電能的能力)達1415法拉每克，能量密度高達2.5安培每克，它的電阻很小，功率密度非常高，”S.N.Bose國家基礎科學研究中心凝聚態物理和材料科學系的首席科學家，Ashutosh/K.Singh這樣說道。“它同樣具有長期的循環穩定性，換句話說，在經過3000次充放電后，該電極仍能保持原始容量的95%。”

超級電容器的優點

超級電容器是用于存儲大量電能的電子設備。它們也被稱為電化學電容器,具有高功率密度、高充放電速率,循環穩定性好和高能量密度的特點。

在儲能設備中，單位質量中蘊含的電能被稱為“能量密度”,而“功率密度”是指能量傳遞的速率。傳統電容器的功率密度很高，但是能量密度低，這意味著它們能快速的進行充放電，但是能儲存的電能并不多。

傳統電池在這方面與傳統電容器的表現正好相反。電池有較高的能量密度，可以儲存大量的電能，但是它的充放電時間可能要用幾個小時。超級電容器就像是傳統電池和傳統電容器的結合，擁有它們兩者大功率，高能量密度和低電阻的優點，因此超級電容器有望取代電池成為電子設備和便攜式電源高效、可靠甚至更安全的動力源。

在超級電容器中，高電容，即儲存電荷的能力，是實現高能量密度的關鍵。同時，為了實現高功率密度，具有較大的電化學可接觸表面積、高電導率和較短的離子擴散路徑至關重要。納米結構的活性材料則能滿足以上這些要求。

科學家們是怎樣合成新電極的

受先前通過摻雜不同金屬氧化物材料以提高導電率研究的啟發，Singh和他的同事KalyanMandal教授將氧化鎳和氧化鐵制成了復合材料，并制造特殊的核殼納米結構電極。

“通過改變使用的材料和電極的形態，我們就能得到不同性能、不同質量的超級電容器。”Singh告訴我們。在Singh的實驗中，核殼復合納米結構的合成需要以下兩個步驟。首先，通過標準電沉積技術，研究人員先在陽極化氧化鋁基底的空穴里制備出多組鐵鎳納米線，然后溶解掉基底獲得復合納米線。之后，研究人員將這些納米線在450℃的氧氣環境中放置極短的時間，最后得到高孔隙度的氧化鎳氧化鐵復合電極殼以及內部的鐵鎳合金核。

“這種核殼復合納米結構的優點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積，并且縮短了離子擴散的距離，”Singh說。他解釋道：超級電容器是通過氧化還原反應來儲存電荷的，這就涉及到一種材料給予電子，離子通過電解質和電極在兩極間轉移的過程。氧化還原反應的表面積越大，超級電容器的功率密度就會越大。

Singh補充道：“導電鐵鎳核為電子到達集電器提供了高速通道，這將改善電極的電導率及其他電化學性能，能夠滿足高性能超級電容器的要求。”

新電極的表現

通過循環伏安法和恒流充放電法，Singh和Mandal研究了這種復合材料電極的電化學性能。實驗設置了一個沒有納米結構的電極，比如鎳/氧化鎳電極和鐵/氧化鐵電極，結果表明，復合結構電極具有更高的電容，更高的能量密度和更多的充放電次數。

“具體來講，復合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。“實驗對比結果表明將鎳/氧化鎳電極與鐵/氧化鐵電極組合起來之后，得到具有更好電化學性能的電極，這表明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，它不需要額外的粘合劑材料。根據Singh所說，粘合劑通常會用于碳或石墨烯超級電容器的合成中，它的作用是將參加氧化還原反應的物質粘在電極表面。不考慮粘合劑的質量，這種復合電極很適合制備輕質超級電容器。

Singh說：“卓越的電化學性能和材料特性表明，氧化鐵-氧化鎳的核殼納米結構電極很適合用來制備輕質、低成本和環保的超級電容器電極，具備現實應用的可能。”

研究人員下一步的計劃是在復合電極的基礎上制備完整的超級電容器設備，并測試其功能表現。我們向超級電容器的工業生產又近了一步。