來自印度S.N.Bose國家基礎(chǔ)科學(xué)研究中心的兩位學(xué)者研發(fā)出了一種具有復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的新型超級電容器，其擁有比現(xiàn)有的非復(fù)合超級電容器電極更優(yōu)越的性能。由于氧化鎳和氧化鐵都是性價比很高的環(huán)保材料，因此滿足綠色低成本超級電容的要求。

近些年超級電容器作為一種性質(zhì)優(yōu)良的新型儲能設(shè)備吸引了眾多關(guān)注。它具有超高的充放電的速率、優(yōu)良的穩(wěn)定性、使用壽命長并且能量密度高的特點(diǎn)。想象一下你能在幾秒鐘之內(nèi)給你的手機(jī)充滿電，甚至在幾分鐘之內(nèi)將電動汽車充滿電的場景，超級電容器在不遠(yuǎn)的將來就能把它變成現(xiàn)實(shí)。

盡管超級電容器有著比傳統(tǒng)電池更快的充電速度、更強(qiáng)的續(xù)航能力，但是未來很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感，超級電容器所占用的體積以及重量比相同容量的電池要大得多。因此，很多科學(xué)家都致力于研發(fā)綠色低成本的高性能輕質(zhì)超級電容器。來自印度S.N.Bose國家基礎(chǔ)科學(xué)研究中心的兩位學(xué)者研發(fā)出了一種具有復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的新型超級電容器，該電容器的外殼層是由氧化鎳與氧化鐵復(fù)合而成的，內(nèi)部包裹著導(dǎo)電性良好的鐵鎳合金。

在這周美國物理學(xué)會出版社的期刊《應(yīng)用物理雜志》中報(bào)道了上述復(fù)合納米電極的合成方法。他們還證明其擁有比現(xiàn)有的非復(fù)合超級電容器電極更優(yōu)越的性能。由于氧化鎳和氧化鐵都是性價比很高的環(huán)保材料，因此滿足綠色低成本超級電容的要求。

“復(fù)合電極表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性質(zhì)，它的電容量(即儲存電能的能力)達(dá)1415法拉每克，能量密度高達(dá)2.5安培每克，它的電阻很小，功率密度非常高，”S.N.Bose國家基礎(chǔ)科學(xué)研究中心凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)系的首席科學(xué)家，Ashutosh/K.Singh這樣說道?！八瑯泳哂虚L期的循環(huán)穩(wěn)定性，換句話說，在經(jīng)過3000次充放電后，該電極仍能保持原始容量的95%。”

超級電容器的優(yōu)點(diǎn)

超級電容器是用于存儲大量電能的電子設(shè)備。它們也被稱為電化學(xué)電容器,具有高功率密度、高充放電速率,循環(huán)穩(wěn)定性好和高能量密度的特點(diǎn)。

在儲能設(shè)備中，單位質(zhì)量中蘊(yùn)含的電能被稱為“能量密度”,而“功率密度”是指能量傳遞的速率。傳統(tǒng)電容器的功率密度很高，但是能量密度低，這意味著它們能快速的進(jìn)行充放電，但是能儲存的電能并不多。

傳統(tǒng)電池在這方面與傳統(tǒng)電容器的表現(xiàn)正好相反。電池有較高的能量密度，可以儲存大量的電能，但是它的充放電時間可能要用幾個小時。超級電容器就像是傳統(tǒng)電池和傳統(tǒng)電容器的結(jié)合，擁有它們兩者大功率，高能量密度和低電阻的優(yōu)點(diǎn)，因此超級電容器有望取代電池成為電子設(shè)備和便攜式電源高效、可靠甚至更安全的動力源。

在超級電容器中，高電容，即儲存電荷的能力，是實(shí)現(xiàn)高能量密度的關(guān)鍵。同時，為了實(shí)現(xiàn)高功率密度，具有較大的電化學(xué)可接觸表面積、高電導(dǎo)率和較短的離子擴(kuò)散路徑至關(guān)重要。納米結(jié)構(gòu)的活性材料則能滿足以上這些要求。

科學(xué)家們是怎樣合成新電極的

受先前通過摻雜不同金屬氧化物材料以提高導(dǎo)電率研究的啟發(fā)，Singh和他的同事KalyanMandal教授將氧化鎳和氧化鐵制成了復(fù)合材料，并制造特殊的核殼納米結(jié)構(gòu)電極。

“通過改變使用的材料和電極的形態(tài)，我們就能得到不同性能、不同質(zhì)量的超級電容器。”Singh告訴我們。在Singh的實(shí)驗(yàn)中，核殼復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的合成需要以下兩個步驟。首先，通過標(biāo)準(zhǔn)電沉積技術(shù)，研究人員先在陽極化氧化鋁基底的空穴里制備出多組鐵鎳納米線，然后溶解掉基底獲得復(fù)合納米線。之后，研究人員將這些納米線在450℃的氧氣環(huán)境中放置極短的時間，最后得到高孔隙度的氧化鎳氧化鐵復(fù)合電極殼以及內(nèi)部的鐵鎳合金核。

“這種核殼復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是高孔隙度的殼納米層為氧化還原反應(yīng)提供了非常大的表面積，并且縮短了離子擴(kuò)散的距離，”Singh說。他解釋道：超級電容器是通過氧化還原反應(yīng)來儲存電荷的，這就涉及到一種材料給予電子，離子通過電解質(zhì)和電極在兩極間轉(zhuǎn)移的過程。氧化還原反應(yīng)的表面積越大，超級電容器的功率密度就會越大。

Singh補(bǔ)充道：“導(dǎo)電鐵鎳核為電子到達(dá)集電器提供了高速通道，這將改善電極的電導(dǎo)率及其他電化學(xué)性能，能夠滿足高性能超級電容器的要求?！?br/>
新電極的表現(xiàn)

通過循環(huán)伏安法和恒流充放電法，Singh和Mandal研究了這種復(fù)合材料電極的電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了一個沒有納米結(jié)構(gòu)的電極，比如鎳/氧化鎳電極和鐵/氧化鐵電極，結(jié)果表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)電極具有更高的電容，更高的能量密度和更多的充放電次數(shù)。

“具體來講，復(fù)合材料電極的能量密度分別是鎳/氧化鎳和鐵/氧化鐵電極的3倍和24倍，”Singh這樣說?！皩?shí)驗(yàn)對比結(jié)果表明將鎳/氧化鎳電極與鐵/氧化鐵電極組合起來之后，得到具有更好電化學(xué)性能的電極，這表明復(fù)合電極能提升超級電容器的性能。”

Singh的合成方法有一個特點(diǎn)，它不需要額外的粘合劑材料。根據(jù)Singh所說，粘合劑通常會用于碳或石墨烯超級電容器的合成中，它的作用是將參加氧化還原反應(yīng)的物質(zhì)粘在電極表面。不考慮粘合劑的質(zhì)量，這種復(fù)合電極很適合制備輕質(zhì)超級電容器。

Singh說：“卓越的電化學(xué)性能和材料特性表明，氧化鐵-氧化鎳的核殼納米結(jié)構(gòu)電極很適合用來制備輕質(zhì)、低成本和環(huán)保的超級電容器電極，具備現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的可能?！?br/>
研究人員下一步的計(jì)劃是在復(fù)合電極的基礎(chǔ)上制備完整的超級電容器設(shè)備，并測試其功能表現(xiàn)。我們向超級電容器的工業(yè)生產(chǎn)又近了一步。