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美研究人员以纳米管结合石墨烯设计性能可提高10倍的超级电容器电极

发布时间：2018/3/5 0:05:25

     来自加州大学洛杉矶分校亨利萨缪利工程和应用科学学院和其他四所大学的机械工程师已经为超级电容器设计了一种超级高效和持久的电极。该装置的设计灵感来自于树枝上树叶的结构和功能，它的效率是其他设计的10倍以上。

    与类似的电极相比，尽管体积更小，重量更轻，该电极设计可提供相同数量的能量存储，并提供尽可能多的功率。在实验中，与使用类似碳材料制成的*佳可用电极相比，它将电流容量提升30％ ，单位面积电容提高30倍。它还产生了比其它设计高10倍的功率，并在超过10,000次充电周期后保留了95％的初始电容。

    这项研究（《Bioinspired leaves-on-branchlet hybrid carbon nanostructure for supercapacitors》）发表于近期的《Nature Communications》上。

    超级电容器是一种可充电的储能设备，其容量比同类电池的容量更大。它们还能快速充电，并持续数百至数千次充电循环。目前，他们被用于混合动力汽车的再生制动系统和其他应用。超级电容器技术的进步可以使其广泛应用，作为消费者每天购买家用电子产品的更熟悉的电池的补充，甚至是替代。

    工程师们已经知道超级电容器可以比目前的模型更强大，但挑战来自于如何生产出更高效和耐用的电极。电极将储存能量的离子吸引到超级电容器的表面来利用这些能量。超级电容器中的离子储存在电解质溶液中。电极能否快速传递储存的能量在很大程度上取决于它能与溶液交换多少离子：它能交换的离子越多，它就能越快地传递能量。

    知道了这一点，研究人员设计了他们的电极，以*大限度地扩大其表面积，为其创造尽可能多的空间来吸引电子。他们从树木的结构中得到灵感，树木能够吸收大量的二氧化碳进行光合作用，因为它们的叶子比表面积大。

    该研究的首席研究员、加州大学洛杉矶分校(UCLA)的机械和航空工程教授蒂姆·费希尔(Tim Fisher)说，“我们经常在自然界中找到灵感，植物已经找到了从环境中吸收二氧化碳等化学物质的*佳途径。在这种情况下，我们借用了这个想法，但规模要小得多，实际上是这个数字的百万分之一。”

    为了设计这些“枝叶”，研究人员使用了两个由碳原子组成的纳米级结构。“树枝”是中空圆柱形碳纳米管阵列，直径约20至30纳米;而“叶子”是锋利的花瓣状结构，约100纳米宽，由石墨烯这种超薄的碳片组成。然后将叶子布置在纳米管茎的周边上。叶状石墨烯花瓣也赋予电极稳定性。

    然后，工程师们将这些结构形成隧道状阵列，因而输送储存能量的离子在电解液和表面之间流动时，传递能量的阻力比电极表面平坦时要小得多。该电极在酸性条件和高温下也表现良好，在这两种环境下都可以使用超级电容器。