顛覆！內部結構越混亂，超級電容器儲電性能越高

超級電容器是一種類似電池的設備，可以在幾秒鐘或幾分鐘內充滿電。在追求更高效能量存儲和轉換技術的道路上，超級電容器因其快速充電和耐用的儲能特性而備受矚目。然而，相對于電池，超級電容器長期以來面臨著能量密度較低的挑戰，使其不適合提供長期能量存儲。微孔活性碳材料作為商用超級電容器中最常用的電極材料之一，一直備受研究者的關注。

為了克服這一挑戰，英國劍橋大學教授Alexander Forse團隊進行了一項突破性的研究，深入探索了微孔碳電極結構與性能之間的關系，他們發現，化學結構更無序的電極比結構高度有序的電極儲存的能量多得多。

這項研究為制備高性能的微孔碳電極鋪平了道路。4月18日，相關研究成果發表在《科學》上。

微孔活性碳是一種不規則形態的材料。如果將一片石墨烯比喻為一張光滑的白紙，那么微孔活性碳就是由無數大小和形狀各異的褶皺紙張堆疊而成的結構。

“我們利用固體核磁共振技術，并結合計算模擬，對超級電容器中采用的微孔碳電極進行了深入探究。研究結果顯示，微孔碳的儲能性能與材料結構的無序程度密切相關。而且在結構更為無序的情況下，微孔碳的儲能性能將顯著提高。”該論文第一作者、劍橋大學博士生劉芯妤在接受《中國科學報》采訪時介紹。

劉芯妤與英國劍橋大學教授Clare Grey（左）、Alex Forse（右）合影        

劉芯妤與有序碳模型（左）和無序碳電極（右）      Nathan Pitt攝

研究發現了微孔碳的無序結構與性能之間的關聯性，這一發現顛覆了以往科學家們對于提高碳基超級電容器性能的傳統認知，也解開了領域內近20年以來關于“微孔碳結構與性能關系”的爭議。

此前，人們普遍認為微孔孔洞的大小是決定微孔碳電容量的關鍵因素。然而，這項研究證實了微孔碳的無定形程度才是實現性能提升的關鍵。

近年來，超級電容器作為一種能夠快速充放電且具有極高循環穩定性的能量存儲設備，已廣泛應用于需要頻繁充電的器件，如電動汽車，火車，公共汽車等。

“本研究的突破性成果為超級電容器技術的進一步發展提供了新的思路和方法。通過調整微孔碳的無序結構，未來可以實現超級電容器能量密度的大幅提升，從而推動其在電動汽車、可再生能源存儲等領域的應用，成果的發表將加速高性能超級電容器技術的商業化進程，為構建清潔、高效的能源未來貢獻更大力量，助力‘碳中和’目標的實現。”劉芯妤說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adn6242