科学家发现超级电容器的能量密度可通过增加其内部结构的"混乱度"来提高

研究人员表示，他们在《科学》杂志上发表的研究成果代表了该领域的一项突破，可以为这项重要的净零排放技术的发展注入新的活力。

与电池一样，超级电容器也能储存能量，但超级电容器可以在几秒或几分钟内完成充电，而电池则需要更长的时间。超级电容器比电池耐用得多，可持续充电数百万次。不过，超级电容器的能量密度较低，因此不适合长期储能或持续供电。

领导这项研究的剑桥大学优素福-哈米德化学系的亚历克斯-福斯博士说："超级电容器是电池的补充技术，而不是替代品。超级电容器经久耐用，充电速度极快，因此应用领域非常广泛。"

从左至右Dame Clare Grey 教授、刘昕宇、Alex Forse 博士。图片来源：Nathan Pitt

例如，由超级电容器供电的公共汽车、火车或地铁可以在乘客上下车的时间内充满电，为到达下一站提供足够的电力。这样就无需在沿线安装任何充电基础设施。不过，在超级电容器得到广泛应用之前，还需要提高其储能能力。

电池利用化学反应来储存和释放电荷，而超级电容器则依靠多孔碳电极之间带电分子的运动，这种电极具有高度无序的结构。福斯说："想象一下石墨烯薄片，它具有高度有序的化学结构。如果你把那片石墨烯揉成一团，就会出现无序的混乱状态，这就有点像超级电容器中的电极。"

由于电极本身比较杂乱，科学家们很难对其进行研究，也很难确定在试图提高性能时哪些参数是最重要的。由于缺乏明确的共识，这一领域的研究陷入了困境。

许多科学家认为，碳电极中微孔（或纳米孔）的大小是提高能量容量的关键。然而，剑桥大学的研究小组分析了一系列市售的纳米多孔碳电极，发现孔径大小与储能能力之间没有联系。

Xinyu Liu 与石墨烯模型（左）和无序碳电极（右）。资料来源：Nathan Pitt

福斯和他的同事们采用了一种新方法，利用核磁共振（NMR）光谱--一种电池的"核磁共振成像"--来研究电极材料。他们发现，长期以来被认为是阻碍因素的材料的杂乱性实际上是其成功的关键。

"通过核磁共振光谱，我们发现储能能力与材料的杂乱程度相关--越杂乱的材料越能储存更多的能量，"第一作者、由福斯和克莱尔-格雷（Dame Clare Grey）教授共同指导的博士生刘新宇（音译）说。"无序性是一种很难测量的东西--只有通过新的核磁共振和模拟技术才能实现，这就是为什么无序性是这一领域一直被忽视的特性。"

"使用核磁共振光谱分析电极材料时，会产生不同峰谷的光谱。峰的位置表明碳的有序或无序程度。"福斯说："这并不是我们的计划，而是一个巨大的惊喜。当我们将峰值的位置与能量容量相对照时，一个惊人的相关性显现出来--最无序的材料的能量容量几乎是最有序材料的两倍。"

那么，为什么混乱是好事呢？这就是研究小组下一步要研究的问题。更无序的碳在其纳米孔中存储离子的效率更高，研究小组希望利用这些结果设计出更好的超级电容器。材料的混乱程度是在合成时决定的。

福斯说："我们想研究制造这些材料的新方法，看看在改进能量储存方面，混乱能让你走多远。这可能是这个领域的一个转折点，这个领域已经困顿了一段时间。克莱尔和我在十多年前就开始研究这个课题，现在看到我们以前的很多基础工作有了明确的应用，这让我们感到非常兴奋。"

编译来源：ScitechDaily