新电极设计可以促进超级电容器性能GydF4y2Ba

新电极设计,提升超级电容器性能GydF4y2Ba

分支和叶片设计由空心,圆柱形碳纳米管(“分支”)和锋利的花瓣状结构(锋利的花瓣状结构(“叶子”)组成,由石墨烯制成。Tim Fisher / UCLA工程GydF4y2Ba

来自UCLA Henry Samueli工程学院的机械工程师和应用科学和其他四个机构设计了一种超级电容器的超高效和长期电极。该器件的设计受到树枝上叶子的结构和功能的启发,并且它比其他设计更高的效率超过10倍。GydF4y2Ba

电极设计提供相同量的能量存储,并且尽管存在更小和更轻,但耗尽相同的电力,尽管更小。在实验中,它产生了30%的电容 - 与由类似碳材料制成的最佳可用电极相比,该设备存储电荷的能力 - 其质量,并且每个区域的电容更好的30倍。它还产生的功率多10倍,并且在10,000多个充电循环之后保留了95%的初始电容。GydF4y2Ba

他们的作品是在自然通信期刊中描述的。GydF4y2Ba

超级电容器是可充电能量存储设备,可为其尺寸提供更多的功率,而不是类似尺寸的电池。他们还快速充电,它们持续数百到数千次充电周期。如今,它们用于混合动力汽车的再生制动系统和其他应用。超级电容器技术的进展可以使其使用广泛作为补充,甚至更换,更熟悉的电池消费者为家庭电子产品购买。GydF4y2Ba

新电极设计可以促进超级电容器性能GydF4y2Ba

CNT / GP微导管的结构表征。GydF4y2Ba一种GydF4y2Ba用于高性能超级电容器电极的CC基板上的叶片纳米结构中CNT / GP微导管的示意图(注意,示意图中的黄色阴影区域表示所选择的区域)。GydF4y2BaB.GydF4y2Ba低放大率下的裸CC衬底(插图显示单个碳纤维的表面)。GydF4y2BaCGydF4y2Ba低放大倍率下碳纤维上的CNT微型管道的均匀覆盖。GydF4y2BaD.GydF4y2BaCnt微导管的特写镜头在碳微纤维上。GydF4y2BaE.GydF4y2Ba心形的CNT / GP微导管。GydF4y2BaFGydF4y2Ba单个CNT以高倍率为多个GPS(Inset在CNT微导管阵列墙上显示GPS)。GydF4y2BaGGydF4y2Ba层次结构的TEM图像。GydF4y2BaHGydF4y2Ba从纳米管的瓣的高分辨率TEM图像。GydF4y2Ba一世GydF4y2BaCNT微导管和CNT / GP微导管对比较拉曼光谱CC基材上的微管。秤条:GydF4y2BaB.GydF4y2Ba500μm(插入:3μm),GydF4y2BaCGydF4y2Ba300μm,GydF4y2BaD.GydF4y2Ba10μm,GydF4y2BaE.GydF4y2Ba20μm,GydF4y2BaFGydF4y2Ba300 nm(插入:2μm),GydF4y2BaGGydF4y2Ba100纳米,GydF4y2BaHGydF4y2Ba10纳米。Nature Communications(2018)DOI:10.1038 / S41467-018-03112-3GydF4y2Ba

工程师已知超级电容器可以比今天的型号更强大,但一个挑战一直在生产更有效和耐用的电极。电极吸引储存能量的离子,在超级电容器的表面上,在那里能够使用能量。超级电容器中的离子储存在电解质溶液中。电极快速递送存储功率的能力在很大程度上通过了可以与该解决方案交换的几个离子:可以交换的离子越多,它可以提供电力越快。GydF4y2Ba

知道这一点,研究人员设计了他们的电极,最大化其表面积,从而为吸引电子创造最可能的空间。他们从树木的结构中吸引了灵感,这能够由于叶子的表面积而吸收用于光合作用的充足量的二氧化碳。GydF4y2Ba

“我们经常在自然界中找到灵感,植物已经发现了吸收从其环境中的二氧化碳如二氧化碳等化学品的最佳方式,”该研究的主要调查员和机械和航空航天工程教授。“在这种情况下,我们使用了这个想法,但实际上大约一百万的规模,实际上。”GydF4y2Ba

为了创建分支和叶设计,研究人员使用了由碳原子组成的两个纳米级结构。“分支”是中空,圆柱形碳纳米管的阵列,直径约20至30纳米;并且“叶子”是锋利的花瓣状结构,约100纳米宽,由此制成GydF4y2Ba石墨烯.GydF4y2Ba- 超薄碳。然后将叶子布置在纳米管杆的周边上。叶状石墨烯花瓣也给出电极稳定性。GydF4y2Ba

然后,工程师将结构形成为隧道形阵列,其将所存储的能量流过的离子通过电解质和表面之间的电阻较低,以输送能量,而是如果电极表面是平的。GydF4y2Ba

电极在酸性条件和高温下表现良好,这两个环境都可以使用超级电容器。GydF4y2Ba

Fisher指导着佛罗里达州的纳米级运输研究小组,是加州大学州加州纳米系统研究所的成员。密西西比州州教授雷辰是项目的其他主要调查员。第一个作者是北视大学的熊雄,里诺,南部大学平喘。该研究得到了科学研究空军办公室的支持。GydF4y2Ba

出版物:Guoping Xiong等,“Bioinspired叶片杂交碳纳米结构用于超级电容器,”自然通信,第9卷,第9条:790(2018)GydF4y2BaDOI:10.1038 / s41467-018-03112-3GydF4y2Ba

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