2021年1月5
慕尼黑工业大学(TUM)无机与金属有机化学教授罗兰·费希尔(Roland Fischer)的团队开发了一种高效超级电容器。
储能装置的基础是一种新颖、强大且可持续的石墨烯混合材料，其性能数据与目前使用的电池相当。
通常，储能与为电子设备提供能量的电池和蓄电池有关。然而，最近在笔记本电脑、相机、手机或汽车上，所谓的超级电容越来越多。
与电池不同的是，它们可以快速储存大量能量，并同样快速地消耗掉。例如，如果一列火车在进站时刹车，超级电容器会储存能量，并在列车启动时非常迅速地提供大量能量。
然而，迄今为止，超级电容器的一个问题是它们缺乏能量密度。锂蓄电池的能量密度可达265千瓦时(KW/h)，而超级电容器迄今为止只能提供十分之一的能量密度。
可持续材料提供高性能
与慕尼黑工业大学化学家罗兰·费舍尔合作的团队现在已经开发出一种新型、强大且可持续的超级电容器石墨烯混合材料。它在储能装置中充当正极。
研究人员正在将它与一个基于泰坦和碳的已被证实的负极结合。
这种新型储能装置不仅能获得高达73 Wh/kg的能量密度，大致相当于镍氢电池的能量密度，而且在功率密度为16 kW/kg的情况下，其性能远优于其他大多数超级电容器。
这种新型超级电容器的秘密在于不同材料的组合，因此化学家们将这种超级电容器称为“不对称”。亚博网站下载
混合材料:自然亚博网站下载是榜样
研究人员正把赌注押在一种新策略上，以克服标准材料的性能限制——他们利用混合材料。亚博网站下载
“自然界充满了高度复杂、进化优化的混合材料——骨骼和牙齿就是例子。亚博网站下载他们的机械性能，如硬度和弹性是通过各种材料的天然组合而得到优化的。”亚博网站下载罗兰·费舍尔说。
研究小组将基本材料组合的抽象想法转移到了超级电容器上。亚博网站下载作为基础，他们使用了存储单元的新型正极与化学改性石墨烯，并将其与纳米结构的金属有机框架(即所谓的MOF)结合。
强大和稳定
石墨烯混合材料性能的决定性因素一方面是较大的比表面和可控的孔径，另一方面是较高的电导率。
“这种材料的高性能是基于微孔MOFs与导电石墨烯酸的结合，”第一作者Jayaramulu Kolleboyina解释道，她曾是与Roland Fischer合作的客座科学家。
对于好的超级电容器来说，大的表面是很重要的。它允许在材料中分别收集大量的载流子——这是电能存储的基本原理。
通过巧妙的材料设计，研究人员实现了将石墨烯酸与MOFs连接起来的壮举。这种混合MOFs具有非常大的内表面，每克可达900平方米，在超级电容器中作为正极具有很高的性能。
长时间稳定
然而，这并不是新材料的唯一优势。为了实现化学上稳定的杂交，需要各组分之间有牢固的化学键。
费舍尔认为，这些键显然与蛋白质中氨基酸之间的键是一样的:“事实上，我们已经将石墨烯酸与mof -氨基酸连接起来，从而产生一种肽键。”
纳米结构元件之间稳定的连接在长期稳定性方面具有巨大的优势:键合越稳定，在不显著损害性能的情况下，可以进行更多的充放电循环。
相比之下，一个经典的锂蓄电池的使用寿命约为5000次。慕尼黑工业大学研究人员开发的新细胞在1万次循环后仍能保持近90%的容量。
国际专家网络
费舍尔强调，在开发新型超级电容器时，研究人员控制自己的不受约束的国际合作是多么重要。因此，Jayaramulu Kolleboyina组建了这个团队。
他是受洪堡基金会邀请从印度来的客座科学家，现在是查谟新成立的印度理工学院化学系的负责人。
“我们的团队还与巴塞罗那的电化学和电池研究专家以及捷克共和国的石墨烯衍生专家建立了网络，”费舍尔的报告。“此外，我们还有来自美国和澳大利亚的综合合作伙伴。这种奇妙的国际合作前景广阔。”
该研究得到了德国卓越电子转换协会(DFG)、亚历山大·冯·洪堡基金会、印度理工学院查谟、昆士兰科技大学和澳大利亚研究理事会(ARC)的支持。
捷克共和国教育、青年和体育部提供的欧洲区域发展基金提供了进一步的资金。
出版
Jayaramulu Kolleboyina, Michael Horn, Andreas Schneemann, Aristides Bakandritsos, Vaclav Ranc, Martin Petr, Vitalie Stavila, Chandrabhas Narayana, B-a-ej Scheibe， Št-pán Kment, Michal otepka, Nunzio Motta, Deepak Dubal, Radek Zboril und Roland A. Fischer共价石墨烯- mof混合高性能非对称超级电容器先进材料亚博网站下载， 4.12.2020 - DOI: 10.1002/adm .202004560
来源:https://www.tum.de/en/