超級電容再突破！高效低廉的電極製造法

摘要

研究人員研發了一種新型的製造超級電容器電極的方法，該方法具有效率高、成本低的優點，可以應用於電動汽車、無線通信和大功率激光器方面。

圖為利用X射線掃描重構的紐扣電池超級電容器

圖片來源：William Kuykendall

超級電容器是對一種能源裝置的形象描述，與傳統電池相比，這種裝置可以更快地存儲和傳輸能量。包括電動汽車、無線通信和大功率激光器在內的許多領域對超級電容器都有非常大的需求。

但是如果想要實現這種大規模的應用，必須採用性能更加優良的電極（通常，需要根據設備的能源、功率等參數用電極將設備與超級電容器進行連接）。這種電極目前需要一種更加高效低廉的批量生產方法，同時其還必須能夠滿足負載更加快速的充放電要求。來自華盛頓大學的一個工程師團隊表示，他們已經研究出了一種製造超級電容器電極材料的新工藝，這種工藝能夠滿足以上那些嚴格的工業和使用需求。

由華盛頓大學材料科學與工程學院的助理教授Peter Pauzauskie領導的研究團隊於7月17日在Nature Microsystems和Nanoengineering兩篇雜誌中發表了他們的研究成果，文章介紹了他們設計的超級電容器電極以及其高效低廉的製造方法。在他們設計的新方法中，首先要用到富碳材料，而且需要將材料烘乾成為低密度的基質，也就是我們常說的氣凝膠。這種氣凝膠本身可以作為粗電極使用，但是Pauzauskie的團隊卻將其電容增加了一倍以上，而電容表徵的恰恰是設備存儲電荷的能力。

廉價的原材料配以精簡的合成工藝，最大限度地減少了工業應用中最常見的兩個困難：成本和速度。

Pauzauskie說：「在工業應用中，時間就是金錢，我們可以在幾小時而不是幾個星期內將這些電極所需要的原材料製備好。這樣就可以大大降低高性能超級電容器電極的綜合製造成本。」

高效的超級電容器電極由具有高比表面的富碳材料合成。考慮到超級電容器獨特的存儲電荷方式，高的比表面積這一條件就顯得至關重要。傳統的電池通過其內部發生的化學反應儲存電荷，而超級電容器則是直接在其表面上儲存和分離正電荷和負電荷。

華盛頓大學材料科學和工程系博士生、文章的共同作者Matthew Lim說：「超級電容器之所以比電池快得多，是因為它們不受反應速度或反應副產物的限制。其能夠快速充放電的性能很好地解釋了超級電容器為什麼能夠為『脈衝』提供能量。」

華盛頓大學化學工程系博士生Matthew Crane說：「超級電容器在傳統電池工作效率低下的環境中具有良好的應用。當電池工作效率太慢而不能滿足能量需求時，具有高表面積電極的超級電容器可以快速「上場」並彌補能量缺口。」

為了獲得具有高表面積的電極，該團隊使用了氣凝膠。這些是經過特殊乾燥和加熱處理的濕凝膠狀物質，研究人員用空氣或其他氣體代替了材料內部原有的液體組分。這麼做可以保留凝膠的三維結構，獲得高表面積和極低的密度。這就好比將所有的水從果凍（Jell-O）中取出而不出現褶皺。

Pauzauskie說：「一克氣凝膠含有與一個足球場相同的表面積。」

Crane利用一種凝膠狀聚合物製備氣凝膠，這種聚合物由甲醛和其他碳基分子合成、具有連續的重複結構單元。這就保證了設備（例如超級電容器電極）所使用的材料富含碳元素。

在這之前，Lim表示將石墨烯（僅有一個原子厚的碳片）添加到凝膠中，可以使所得到的氣凝膠具有超級電容器特性。但是，Lim和Crane需要改善氣凝膠的性能，而且還要使合成過程更便宜、更簡單。

在Lim以前的實驗中，添加石墨烯並沒有改善氣凝膠的電容。所以他們用二硫化鉬或二硫化鎢薄片替代了石墨烯。這兩種化學品是如今廣泛使用的工業潤滑劑。

研究人員用高頻聲波處理了兩種材料，將其切割成薄片，並將其添加到富含碳的凝膠基質中。他們可以在不到兩個小時內合成一個滿載的濕凝膠，而使用其他方法則需要很多天。

在獲得乾燥、低密度的氣凝膠之後，研究人員將氣凝膠與粘合劑以及另外一種富含碳的材料混合，製成一種工業「麵糰」，Lim可以簡單地將這種工業「麵糰」製成只有幾千分之一英寸厚的薄片。他們從麵糰中切割出半英寸大小的盤狀薄片，並將其組裝成簡單的紐扣電池外殼，以測試該材料作為超級電容器電極的效果。

用這種方法製作電極不僅速度速、簡單、易於合成，而且同僅僅富碳的氣凝膠電極相比，電容量至少高出127％。

Lim和Crane預計，裝有厚度更小的二硫化鉬片或二硫化鎢片的氣凝膠——厚度約為10至100個原子——可能會表現出更好的性能。但首先，他們希望能夠證明加入薄片的氣凝膠合成過程更加快速、便宜，這是工業生產的必要步驟。接下來就是對合成工藝進行微調。

該團隊認為，這些努力可以幫助推動超級電容器電極領域的科學發展。他們的二硫化鉬懸浮氣凝膠在氫氣生產過程中也許能夠保持足夠穩定。而且他們在氣凝膠中快速捕獲材料的方法也可以應用於高電容電池或催化劑方面。

原文來自：sciencedaily，由材料科技在線團隊翻譯整理。

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