SuperCapacitors挑战电池:强大的石墨烯混合材料,用于高效储能

石墨烯杂交制造厂

由金属有机框架(MOF)和雷黄酸制成的石墨烯杂交制成超级电容器的优异正电极,从而实现类似于镍 - 金属氢化物电池的能量密度。信用:J. Kolleboyina / Iitj教授

慕尼黑技术大学(Tum)的无机和金属化学教授合作的团队合作,慕尼黑(Tum)开发了一个高效的超级电容器。yabovip2021能量存储装置的基础是一种新颖的,强大的,也是可持续的石墨烯.混合材料具有与当前使用电池的可比性数据。

通常,能量储存与为电子设备提供能量的电池和蓄电池有关。然而,如今越来越多的电脑、相机、手机或汽车上安装了所谓的超级电容器。

与电池不同,他们可以迅速存储大量的能量,并将其速度快。例如,如果火车制动器进入车站时,超级电容器储存能量并在启动时速度非常快速地需要大量能量时再次提供它。

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其中的十分之一。

可持续材料提供高性能

与Tum Chemist Roland Fischer一起使用的团队现在已经开发了一种用于超级电容器的新颖,强大的和可持续的石墨烯混合材料。它用作能量存储装置中的正电极。研究人员将其与基于泰坦和碳的经过验证的负电极相结合。

黑色凝胶高电子移动性

由金属有机框架(MOF)和石墨酸制成的石墨烯杂交物为超级电容器制成优异的正电极,从而实现与镍 - 金属氢化物电池类似的能量密度。黑色表示材料内的高电子迁移率。信用:J. Kolleboyina / Iitj教授

这种新型储能装置不仅能达到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时,性能也比大多数其他超级电容好得多。新型超级电容器的秘密在于不同材料的组合——因此,化学家称这种超级电容器为“不对称”。

混合材料:大自然是榜样

研究人员正押注于一种新的策略来克服标准材料的性能限制——他们利用混合材料。“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。它们的机械性能,如硬度和弹性,是通过各种材料的自然组合而优化的,”Roland Fischer说。

结合基本材料的抽象理念被研究团队转移到超级电容器。作为基础,它们使用具有化学改性的石墨烯的存储单元的新型正电极,并将其与纳米结构金属有机框架组合,即所谓的MOF。

强大而稳定

石墨烯杂化材料具有较大的比表面积和可控的孔径,具有较高的导电性,这是其性能的决定性因素。“该材料的高性能能力是基于微孔的组合MOF用导电石墨烯,“首次作者Jayaramulu Kolleboyina解释一位前客家科学家,与Roland Fischer一起使用。

一个大的表面对于一个好的超级电容器来说是很重要的。它允许在材料内分别收集大量载流子-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相连接的壮举。由此产生的混合MOFs具有非常大的内表面,每克可达900平方米,作为超级电容器的正极性能非常好。

长稳定性

然而,这并不是新材料的唯一优势。要获得化学稳定的杂化,需要组分之间有很强的化学键。键显然和键与键之间的键是一样的


Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.
" class="glossaryLink ">氨基酸在蛋白质中,根据Fischer:“实际上,我们已经用MOF-氨基酸连接了石墨烯酸,其产生一种肽键。”

在长期稳定性方面,纳米结构部件之间的稳定连接具有巨大的优点:键合的稳定性越稳定,可能在没有显着性能损伤的情况下可能的充电和放电循环。

比较一下:一个经典的锂蓄电池的使用寿命约为5000次。由TUM的研究人员开发的新细胞在10,000次循环后仍然保持接近90%的容量。

国际专家网络

菲舍尔强调,研究人员控制自己的国际合作是多么重要的是,当它到达新超级电容器的发展时。因此,Jayaramulu Kolleboyina建造了团队。他是来自亚历山大·冯·洪堡基金会的印度邀请的印度的客座科学家,现在是新成立的印度工业研究所在Jammu的化学部门负责人。yabovip2021

“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物专yabovip2021家建立了网络,”Fischer报告说。“此外,我们还有来自美国和澳大利亚的综合合作伙伴。这种美妙的国际合作为未来带来了很多希望。”

参考:“共价石墨烯量MOF高绩效非对称超级电容器混合动力车”由Kolleboyina Jayaramulu,迈克尔•角Andreas Schneemann Haneesh赛,阿里司提戴斯Bakandritsos,瓦茨拉夫•Ranc马丁•切赫Vitalie Stavila, Chandrabhas Narayana医院Błżej麦克尔Ště锅Kment米甲Otyepka, Nunzio莫塔,迪帕克迪拜铝业,Radek Zbořil和罗兰·a·费舍尔,4 2020年12月,先进的材料
DOI: 10.1002 / adma.202004560