超級電容是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能。但在其儲能的過程并不發(fā)生化學反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數(shù)十萬次。基于其功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬等優(yōu)點，線已用于電動公交車，電動汽車等工具上的儲能裝置。

　　但是由于其能量密度低，成本高等缺點也使得超級電容與儲能電池相較，不能占有有力的市場份額。針對這些缺點，科學家們也在努力的實驗各種能夠提升能量密度和降低成本的材料以期獲得突破。下面我們就來看看今年內(nèi)超級電容在材料方面的一些研究成果。

　　木材超級電容器與活性炭超級電容相差無多

　　報告顯示，木材生物碳超級電容器能夠產(chǎn)生與當今活性炭超級電容器相等的電量，但成本卻更低且有利于保護環(huán)境。該報告發(fā)布于《電化學學報》。

　　報告研究小組組長、伊利諾伊斯大學可持續(xù)技術(shù)中心高級研究員JunhuaJiang表示，超級電容器與我們使用的電池相似。電池依賴化學反應(yīng)持續(xù)生產(chǎn)電能，而超級電容器在其電極上集聚帶電離子，并且在放電時迅速釋放這些離子。這樣一來，它能夠閃電般地提供充足能量(如照相機的閃光燈)，或者即時滿足能源網(wǎng)高峰期需求。

　　“對于需要即時充電或者需要即時能量供應(yīng)的應(yīng)用設(shè)備來說，超級電容器是完美配件，因為它能以更低的成本迅速完成充電，”JunhuaJiang說，其在交通、電子、太陽能與風能存儲與配送方面應(yīng)用前景廣闊。

　　當今許多超級電容器使用活性炭，而活性炭來自于化石能源?！盀榱松苫钚蕴康奈⒔Y(jié)構(gòu)，即增加孔量并優(yōu)化孔網(wǎng)，需要成本高昂、工序復雜的程序。這道程序的目的在于增加電極表面積，以及提高各孔迅速捕捉并釋放離子的能力?！盝unhuaJiang解釋了生成活性炭微結(jié)構(gòu)的原理。

　　對于木材電容器而言，其木質(zhì)天然孔狀結(jié)構(gòu)可以直接視作電極表面，因此不必使用復雜的技術(shù)制造孔狀結(jié)構(gòu)。而木材生物碳，則可通過低氧加熱木材獲得。

　　對于某些木材，孔的尺寸與分布非常適合離子快速傳輸。本次研究使用了紅刺柏，但是其他一些木材如楓樹或者櫻桃樹也適用。

　　通常，在制作超級電容器時，通常需要成本高昂且腐蝕性強的化學物質(zhì)用來加工活性炭，以此賦予電極必要的物理與化學性質(zhì)。

　　“使用這些化學物質(zhì)可能會對環(huán)境造成影響。我們應(yīng)該避免或盡可能減輕對環(huán)境的破壞，”JunhuaJiang表示。

　　Jiang與他的團隊用溫和的硝酸激活生物碳，清除了生物碳的灰燼(如碳酸鈣、碳酸鉀和其他雜質(zhì))。該工序還具有另一個好處，硝酸化合物作用產(chǎn)生的溶劑能夠當做化肥使用。

　　這些簡單的方法顯著降低了生產(chǎn)超級電容器所需的物質(zhì)與環(huán)境成本。

　　“生物碳超級電容器的物質(zhì)成本比活性炭超級電容器要低得多，”JunhuaJiang說。

　　當生物碳超級電容器使用壽命走到盡頭時，可以粉碎電極并作為有機土壤改良劑使用，這將讓土壤變得更加肥沃?！吧锾嘉镔|(zhì)的性能可與當今高級碳物質(zhì)相提并論，這包括碳納米管與墨烯材料。這意味著，我們能以更低的物質(zhì)成本、與環(huán)境成本實現(xiàn)等同的效率?！?/p>

　　焦化后的頭發(fā)讓超級電容器更環(huán)保

　　中國的科研人員使用燒焦的頭發(fā)制成儲能設(shè)備的重要構(gòu)成。使用這項發(fā)明制造的產(chǎn)品將會取代傳統(tǒng)電池，更加高效、環(huán)保。

　　目前，很多電池比如車載鉛酸電池都很笨重，而且需要依靠有危險性的化學物質(zhì)才能儲能。隨著移動電子產(chǎn)品的全球銷售額不斷增長，電池引發(fā)的環(huán)境問題越來越受到人們的重視，并激發(fā)科研人員投入到超級電容器的研發(fā)中。超級電容器使用可持續(xù)的碳材料制成，對環(huán)境無害。

　　然而，這些碳材料不但生產(chǎn)制造復雜，而且也不容易從化石燃料中獲取。來自蘇州大學的馮巖(音)及其科研小組使用簡單的碳化過程把人的頭發(fā)變?yōu)榭捎糜诔夒娙萜麟姌O的碳片。

　　作為原始材料，人的頭發(fā)有幾點優(yōu)勢：成本低廉和資源豐富。人的頭發(fā)含有天然的氮和硫，可以保留在碳片里，提升材料的導電性。人的頭發(fā)由蛋白質(zhì)構(gòu)成，其纖維排列使碳片具有特殊的結(jié)構(gòu)和很高的表面積，因此制造出的超級電容器能夠進行快速充電。馮巖表示：“他們不僅可以為您的設(shè)備快速充電，還可以讓設(shè)備的續(xù)航能力更持久。”

　　英國華威大學納米材料和綠色化學專家AdamLee說道：“這項發(fā)現(xiàn)很有意思。這種材料通常被用作吸收劑，但很少用在電子設(shè)備上。和所有生物衍生材料面臨的問題一樣，是否有足夠的頭發(fā)用于商業(yè)用途?它的純度是否能確保生產(chǎn)出可再生產(chǎn)品?”

　　現(xiàn)在，研究小組正在測試它們的新材料是否還能夠用于傳統(tǒng)的鋰離子電池。

　　美用黏土開發(fā)出高溫超級電容器

　　在自然界里，黏土豐富而廉價，卻能成為一種超級電容器的關(guān)鍵成分。據(jù)物理學家組織網(wǎng)9月3日報道，美國萊斯大學科學家用黏土和一種電解液混合，開發(fā)出一種既能當電解液又能當隔離板使用的“復合板”，可作為一種新型高溫超級電容器。相關(guān)論文在線發(fā)表于9月3日的《自然·科學報告》上。

　　“多年來，研究人員一直想造出像電池和超級電容器這樣能在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作的能源存儲設(shè)備，但由于傳統(tǒng)材料本身性質(zhì)的制約，一直未能攻克難題?！比R斯大學材料科學家帕里柯·阿加恩說，“我們的革新是找到了一種能在高溫下保持穩(wěn)定的、非傳統(tǒng)的電解質(zhì)/隔離板系統(tǒng)?！?/p>

　　他們研究了歐洲和奧地利科學家于2009年開發(fā)的一種室溫離子液(RTILs)。RTILs在室溫下導電性較低，但加熱后黏度會降低而導電性提高。黏土具有很高的熱穩(wěn)定性、吸附能力和滲透性，活性表面積也很大。通常用在石油鉆探、現(xiàn)代建筑或鋼鐵鑄造中。

　　研究人員把RTILs和自然界的斑脫土黏土等量混合，制成一種混合膠，將其夾在兩層還原的氧化石墨中間，上下再裝兩個集電器，就成了一種超級電容器。經(jīng)測試和電子顯微圖像顯示，這種材料被加熱到200℃時也沒有變化，即使加熱到300℃也只有很小的變化。

　　“材料的離子電導性在180℃之前幾乎是直線增加，然后在200℃時達到飽和?！闭撐念I(lǐng)導作者、萊斯大學機械工程與材料科學系研究人員阿拉瓦·瑞迪說。測試還發(fā)現(xiàn)，雖然在第一次充/放電中，其容量有輕微下降，但這種超級電容能穩(wěn)定地通過1萬次周期測試。在運行溫度從室溫提高到200℃后，無論電能還是功率密度都提高了兩個數(shù)量級。

　　這種新型超級電容器擁有最佳的電容性能，能在幾秒鐘內(nèi)充電而瞬間放電，一般的充電

　　電池是緩慢充電，按照需要逐漸放電。理想的超級電容器能迅速充電、儲電并按需放電。阿加恩說，它們能在200℃甚至可能更高的溫度下穩(wěn)定工作。這對于在極端環(huán)境下使用的充電設(shè)備是非常有用的，比如石油鉆探、軍隊以及太空環(huán)境。

　　研究小組還將RTILs/黏土和少量熱塑聚氨酯結(jié)合，制成一種薄膜，可以切割成不同的大小和形狀，靈活適應(yīng)多種設(shè)備的設(shè)計。

　　“我們的目的是克服傳統(tǒng)液體或膠體電解液的限制，它們只能用在低溫工作的電化能源設(shè)備中。”瑞迪說，“這項研究讓人們能在更廣泛的溫度范圍安全操作，而不必在能量、功率和周期壽命之間折中妥協(xié)，大大改善甚至消除了對昂貴的熱量管理系統(tǒng)的需求。”

　　石墨烯制造超級電容充電僅需數(shù)秒

　　埃及一名科學家已經(jīng)發(fā)明了一種制造超級電容與

　　電池的方法，用這種方法使用石墨烯制造的電池可以在數(shù)秒內(nèi)完成充電、且電力可以持續(xù)很長時間。這位科學家在加州大學洛杉磯分校進行了他的研究。

　　石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型材料，它具有柔韌性、高密度、電子移動速度極快等特點。

　　馬希爾·高迪是美國加州大學洛杉磯分校的研究人員，也是埃及開羅大學的教研人員。他介紹稱，在研究提取石墨烯的實用方法時，他發(fā)現(xiàn)了石墨烯許多優(yōu)良的屬性，由于這些屬性，用石墨烯制造的超級電容的儲電能力是現(xiàn)有超級電容的兩倍之多。

　　超級電容主要用來存儲太陽能電池板產(chǎn)生的電能，中國與荷蘭已經(jīng)在實際應(yīng)用當中使用了超級電容。

　　高迪強調(diào)，用石墨烯制造的超級電容具有“充電過程僅需1秒”的特點，而這還是在充電過程具有30毫秒響應(yīng)時間的前提下。事實上，目前超級電容的充電過程需要大約90秒。同時，這種電容體積很小，僅有7至8微米厚，而人的頭發(fā)直徑為50微米。

　　這位埃及科學家表示，使用石墨烯可以制造適用于智能手機、平板電腦與筆記本電腦的電池。這種電池的平均充電時間為30秒，而這短短30秒的充電時間可以讓筆記本電腦工作數(shù)日，更可以讓智能手機與平板電腦工作數(shù)周。

　　他還指出，石墨烯電池具有柔韌性與可折疊性;此外，它是一種無毒材料，并且對環(huán)境無害。

　　高迪表示，他的研究成果將在短短幾年后出現(xiàn)商業(yè)化產(chǎn)品，目前他已經(jīng)選擇了一家名為MaxwellTechnology的公司進行商業(yè)化生產(chǎn)。

　　高迪的這項創(chuàng)新是電池與超級電容行業(yè)的重大轉(zhuǎn)變。與電腦與電子行業(yè)相比，電池與超級電容行業(yè)還沒有顯著的發(fā)展，但是后者卻在前者當中發(fā)揮著巨大的作用。因此，高迪表示，以石墨烯為原料的電池與電容將會極大地推動上述行業(yè)的發(fā)展。

　　硅基超級電容器可在數(shù)分鐘內(nèi)完成充放電

　　Vanderbilt大學研究人員提出了一種在硅基超級電容器內(nèi)儲存電力的新方法，超級電容器能在短時間內(nèi)為手機充滿電，可以連續(xù)工作數(shù)周而不用再充電。

　　研究報告發(fā)表在《自然》旗下的《ScientificReports》期刊上。研究人員提出了新的超級電容器儲存電力方法，不是將電能以化學反應(yīng)形式儲存，而是通過在多孔材料表面聚集離子的方式儲存電力。新的方法可以在數(shù)分鐘內(nèi)充放電，可以運作數(shù)百萬周期，而不是普通電池的數(shù)千充放電周期。

　　不可否認，這些研究都具有一定的價值，但是離真正的量產(chǎn)化和低成本還有不小的距離。一旦超級電容在能量密度和成本上的研究獲得突破，必然會對整個儲能行業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)帶來巨大的沖擊和改變。