慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）的無機(jī)和金屬有機(jī)化學(xué)教授RolandFischer組成的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高效的超級(jí)電容器。儲(chǔ)能裝置的基礎(chǔ)是新穎，功能強(qiáng)大且可持續(xù)的石墨烯混合材料，其性能數(shù)據(jù)可與當(dāng)前使用的電池相媲美。

通常，能量存儲(chǔ)與為電子設(shè)備提供能量的電池和蓄電池相關(guān)聯(lián)。但是，在筆記本電腦，照相機(jī)，手機(jī)或車輛中，近來越來越多地使用所謂的超級(jí)電容器。

與電池不同，它們可以快速存儲(chǔ)大量能量并以同樣快的速度釋放出來。例如，如果火車在進(jìn)入車站時(shí)制動(dòng)，則超級(jí)電容器會(huì)存儲(chǔ)能量，并在火車啟動(dòng)時(shí)非常迅速地需要大量能量時(shí)再次提供能量。

然而，迄今為止，超級(jí)電容器的一個(gè)問題是它們?nèi)狈δ芰棵芏取１M管鋰蓄電池的能量密度高達(dá)265千瓦時(shí)（KW/h），但到目前為止，超級(jí)電容器僅能提供其十分之一的能量。

可持續(xù)材料提供高性能

與TUM化學(xué)家RolandFischer合作的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已開發(fā)出一種新穎，功能強(qiáng)大且可持續(xù)的石墨烯混合材料，用于超級(jí)電容器。它用作儲(chǔ)能裝置中的正極。研究人員正在將其與經(jīng)過驗(yàn)證的基于鈦和碳的負(fù)極結(jié)合在一起。

這種新的儲(chǔ)能裝置不僅能達(dá)到高達(dá)73Wh/kg的能量密度（大致相當(dāng)于鎳氫電池的能量密度），而且在功率密度為16時(shí)也比大多數(shù)其他超級(jí)電容器性能要好得多。千瓦/千克新超級(jí)電容器的秘密在于不同材料的組合-因此，化學(xué)家將超級(jí)電容器稱為“不對(duì)稱”。

混合材料：自然是榜樣

研究人員押注了一種克服標(biāo)準(zhǔn)材料性能極限的新策略-他們利用混合材料。RolandFischer說：“大自然充滿了高度復(fù)雜的，經(jīng)過進(jìn)化優(yōu)化的混合材料，例如骨骼和牙齒。它們的機(jī)械性能（例如硬度和彈性）是通過自然界中各種材料的組合來優(yōu)化的。”

研究團(tuán)隊(duì)將結(jié)合基本材料的抽象思想轉(zhuǎn)移給了超級(jí)電容器。作為基礎(chǔ)，他們使用了具有化學(xué)修飾石墨烯的新型存儲(chǔ)單元正電極，并將其與納米結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)骨架（即所謂的MOF）結(jié)合使用。

強(qiáng)大穩(wěn)定

決定石墨烯雜化物性能的一方面是較大的比表面積和可控制的孔徑，另一方面是高電導(dǎo)率。“該材料的高性能是基于微孔MOF與導(dǎo)電石墨烯酸的結(jié)合，”第一作者JayaramuluKolleboyina解釋說，他曾與RolandFischer共同工作。

大表面對(duì)于優(yōu)質(zhì)超級(jí)電容器很重要。它允許在材料內(nèi)收集大量的電荷載流子-這是電能存儲(chǔ)的基本原理。

通過熟練的材料設(shè)計(jì)，研究人員實(shí)現(xiàn)了將石墨烯酸與MOF連接的壯舉。所得的混合MOF具有非常大的內(nèi)表面，每克高達(dá)900平方米，并且在超級(jí)電容器中作為正極具有很高的性能。

長期穩(wěn)定

但是，這并不是新材料的唯一優(yōu)勢(shì)。為了獲得化學(xué)上穩(wěn)定的雜種，人們需要在組件之間建立牢固的化學(xué)鍵。根據(jù)菲舍爾的說法，這些鍵顯然與蛋白質(zhì)中氨基酸之間的鍵相同：“實(shí)際上，我們已經(jīng)將石墨烯酸與MOF氨基酸連接在一起，從而產(chǎn)生了一種肽鍵。”

納米結(jié)構(gòu)組件之間的穩(wěn)定連接在長期穩(wěn)定性方面具有巨大優(yōu)勢(shì)：鍵越穩(wěn)定，在不顯著降低性能的情況下，可以進(jìn)行更多的充電和放電循環(huán)。

進(jìn)行比較：經(jīng)典的鋰蓄電池的使用壽命約為5,000個(gè)循環(huán)。TUM研究人員開發(fā)的新電池即使經(jīng)過10,000次循環(huán)，仍可保持近90％的容量。

國際專家網(wǎng)

費(fèi)舍爾強(qiáng)調(diào)，研究人員控制自己不受限制的國際合作對(duì)于開發(fā)新型超級(jí)電容器至關(guān)重要。因此，JayaramuluKolleboyina組建了團(tuán)隊(duì)。他是亞歷山大·馮·洪堡基金會(huì)（AlexandervonHumboldtFoundation）邀請(qǐng)的來自印度的客座科學(xué)家，現(xiàn)在他是查Jam新成立的印度理工學(xué)院化學(xué)系主任。

菲舍爾說：“我們的團(tuán)隊(duì)還與巴塞羅那的電化學(xué)和電池研究專家以及來自捷克共和國的石墨烯衍生物專家建立了聯(lián)系。”“此外，我們已經(jīng)整合了來自美國和澳大利亞的合作伙伴。這種美好的國際合作對(duì)未來充滿了希望。”