在很多情況下,理想的儲(chǔ)能設(shè)備不是儲(chǔ)能量大但無(wú)法快速供能的電池,也不是存儲(chǔ)空間有限但供能迅速的超級(jí)電容器,而是結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)、能夠一舉兩得的裝置。中國(guó)和美國(guó)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),氮可以將碳基超級(jí)電容器的儲(chǔ)能量提高兩倍,從而使其在儲(chǔ)能量方面與一些電池一較高下,向?qū)崿F(xiàn)理想的儲(chǔ)能裝置邁出了一大步。

強(qiáng)大的儲(chǔ)電孔隙!摻雜氮原子的碳管有助于提升超級(jí)電容器的儲(chǔ)能量。

現(xiàn)在使用的大多數(shù)超級(jí)電容器都依賴(lài)于碳基電極,因?yàn)槠浔砻娣e大,可存儲(chǔ)更多電荷。上海硅酸鹽研究所的材料化學(xué)家黃富強(qiáng)說(shuō):"我們可以使碳成為更好的超級(jí)電容器。"

黃富強(qiáng)和他的同事們首先制作了多孔二氧化硅框架,將碳塞入孔中;而后蝕刻掉二氧化硅,形成寬度只有4到6納米的多孔管,每個(gè)管由多達(dá)5層類(lèi)石墨烯的碳構(gòu)成;然后在碳中摻雜氮原子。氮改變了惰性碳,從而在超級(jí)電容器中發(fā)生化學(xué)反應(yīng),而不會(huì)影響其導(dǎo)電性。

這些反應(yīng)使電容的儲(chǔ)能能力提升了兩倍,而不會(huì)削弱其快速充放電的能力。該設(shè)備的儲(chǔ)能能力為41瓦時(shí)/千克,與鉛酸電池相差無(wú)幾。

黃富強(qiáng)說(shuō):"好像我們已經(jīng)打破了音障一樣。"

其他專(zhuān)家表示認(rèn)同。澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)物理學(xué)家農(nóng)西奧？莫托(NunzioMotta,未參加這項(xiàng)研究)說(shuō):"這些結(jié)果是超級(jí)電容器能量密度領(lǐng)域的一大飛躍。"

賓夕法尼亞大學(xué)的材料物理學(xué)家陳一葦也參加了這項(xiàng)突破性工作,他從理論上分析了該裝置可在電動(dòng)交通中發(fā)揮的作用,給出了恰當(dāng)?shù)恼撌?。他說(shuō):"一輛巴士用8瓦時(shí)/千克的超級(jí)電容器可以跑5公里,然后在儲(chǔ)庫(kù)充電30秒后再次運(yùn)行。這在一個(gè)小城市或機(jī)場(chǎng)是可行的,但顯然還有很多不足之處。我們的電池具有5倍的能量,所以它可以行駛25公里后仍以相同的速度充電。我們現(xiàn)在談的是交通運(yùn)輸上的實(shí)際應(yīng)用。"

位于休斯頓的萊斯大學(xué)的材料化學(xué)家詹姆斯？圖爾(JamesTour,未參加這項(xiàng)研究)認(rèn)為,這種先進(jìn)的超級(jí)電容器也可以用于可穿戴設(shè)備。他說(shuō):"手表、眼鏡、電子皮膚等裝置不宜使用過(guò)大過(guò)重的電池,因此輕巧高效的超級(jí)電容器可能是一個(gè)很好的選擇。"

這種新型超級(jí)電容器在儲(chǔ)能量上不及鋰離子電池,鋰離子電池的儲(chǔ)能量可達(dá)到70~250瓦時(shí)/千克。但研究人員們說(shuō),這種超級(jí)電容器在功率上超過(guò)了鋰離子電池,可產(chǎn)生26千瓦/千克的功率,而鋰離子電池則為0.2~1千瓦/千克。

他說(shuō),黃富強(qiáng)及其同事們正在研究以可擴(kuò)展、穩(wěn)健和廉價(jià)的方式創(chuàng)建這些超級(jí)電容器的方法。他們還嘗試使用各種電解質(zhì)來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)這些裝置。

昆士蘭科技大學(xué)的物理學(xué)家莫托說(shuō),未來(lái)的研究亦可專(zhuān)注于改善超級(jí)電容器的孔隙率,從而提升儲(chǔ)電量。他說(shuō):"但孔隙率的進(jìn)一步提高可能會(huì)加大材料的脆弱性,這可能成為一道障礙。"