科学家发现超级电容器的能量密度可通过增加其内部结构的"混乱度"来提高

剑桥大学的研究人员利用实验和计算机建模技术研究了超级电容器中使用的多孔碳电极。他们发现，化学结构更无序的电极比结构高度有序的电极储存的能量要多得多。超级电容器是能源转型的一项关键技术，可用于某些形式的公共交通，以及管理间歇性太阳能和风能发电，但由于能量密度较低，其应用一直受到限制。

研究人员表示，他们在《科学》杂志上发表的研究成果代表了该领域的一项突破，可以为这项重要的净零排放技术的发展注入新的活力。

与电池一样，超级电容器也能储存能量，但超级电容器可以在几秒或几分钟内完成充电，而电池则需要更长的时间。超级电容器比电池耐用得多，可持续充电数百万次。不过，超级电容器的能量密度较低，因此不适合长期储能或持续供电。

领导这项研究的剑桥大学优素福-哈米德化学系的亚历克斯-福斯博士说："超级电容器是电池的补充技术，而不是替代品。超级电容器经久耐用，充电速度极快，因此应用领域非常广泛。"

从左至右Dame Clare Grey 教授、刘昕宇、Alex Forse 博士。图片来源：Nathan Pitt

例如，由超级电容器供电的公共汽车、火车或地铁可以在乘客上下车的时间内充满电，为到达下一站提供足够的电力。这样就无需在沿线安装任何充电基础设施。不过，在超级电容器得到广泛应用之前，还需要提高其储能能力。

电池利用化学反应来储存和释放电荷，而超级电容器则依靠多孔碳电极之间带电分子的运动，这种电极具有高度无序的结构。福斯说："想象一下石墨烯薄片，它具有高度有序的化学结构。如果你把那片石墨烯揉成一团，就会出现无序的混乱状态，这就有点像超级电容器中的电极。"

由于电极本身比较杂乱，科学家们很难对其进行研究，也很难确定在试图提高性能时哪些参数是最重要的。由于缺乏明确的共识，这一领域的研究陷入了困境。

许多科学家认为，碳电极中微孔（或纳米孔）的大小是提高能量容量的关键。然而，剑桥大学的研究小组分析了一系列市售的纳米多孔碳电极，发现孔径大小与储能能力之间没有联系。

Xinyu Liu 与石墨烯模型（左）和无序碳电极（右）。资料来源：Nathan Pitt

福斯和他的同事们采用了一种新方法，利用核磁共振（NMR）光谱--一种电池的"核磁共振成像"--来研究电极材料。他们发现，长期以来被认为是阻碍因素的材料的杂乱性实际上是其成功的关键。

"通过核磁共振光谱，我们发现储能能力与材料的杂乱程度相关--越杂乱的材料越能储存更多的能量，"第一作者、由福斯和克莱尔-格雷（Dame Clare Grey）教授共同指导的博士生刘新宇（音译）说。"无序性是一种很难测量的东西--只有通过新的核磁共振和模拟技术才能实现，这就是为什么无序性是这一领域一直被忽视的特性。"

"使用核磁共振光谱分析电极材料时，会产生不同峰谷的光谱。峰的位置表明碳的有序或无序程度。"福斯说："这并不是我们的计划，而是一个巨大的惊喜。当我们将峰值的位置与能量容量相对照时，一个惊人的相关性显现出来--最无序的材料的能量容量几乎是最有序材料的两倍。"

那么，为什么混乱是好事呢？这就是研究小组下一步要研究的问题。更无序的碳在其纳米孔中存储离子的效率更高，研究小组希望利用这些结果设计出更好的超级电容器。材料的混乱程度是在合成时决定的。

福斯说："我们想研究制造这些材料的新方法，看看在改进能量储存方面，混乱能让你走多远。这可能是这个领域的一个转折点，这个领域已经困顿了一段时间。克莱尔和我在十多年前就开始研究这个课题，现在看到我们以前的很多基础工作有了明确的应用，这让我们感到非常兴奋。"

编译来源：ScitechDaily