新型電容材料在特斯拉中儲存更多的電量

將來你買電動汽車的時(shí)候可能就會有一個(gè)額外的儲電設(shè)備。近日，研究人員開發(fā)出一種新型電容材料，該電容材料可以儲存大量的電，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)充放電功能。此外，由于該電容材料的原材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化，成本較低，因此可能比目前正待開發(fā)中的其他材料更實(shí)用。最終，汽車制造商可以制造出能快速充電的行駛里程最多的電動汽車。

　　這種新材料稱為共價(jià)有機(jī)框架(COF)，是一種高度多孔晶體，它可以用來制造儲存電能的裝置（超級電容器），該電容器廣泛應(yīng)用于汽車、電腦等領(lǐng)域。在其最簡單的形式中，超級電容器是由簡單隔開的兩個(gè)金屬電極和導(dǎo)電液體（或電解質(zhì)）構(gòu)成的。充電時(shí)，電容器在兩個(gè)電極之間釋放電壓，導(dǎo)致電荷相反的離子附著到電極表面，即使電壓作用消失。放電時(shí)，電極從帶負(fù)電荷的電極移動到帶正電荷的電極上。

　　作為超級電容器，其電荷的轉(zhuǎn)移很快，充、放電的速度以秒為單位，而傳統(tǒng)電池的充電則需要數(shù)個(gè)小時(shí)。理想狀態(tài)下，該電容器可以應(yīng)用于諸如電動汽車再生制動系統(tǒng)中，使用制動能量來產(chǎn)生電流并實(shí)現(xiàn)電流的即時(shí)存儲。

　　麻煩的是，由于表面積的限制，超級電容器的容量是有限的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于當(dāng)電池以卷的形式進(jìn)行儲電的電容量。公司曾經(jīng)試圖增加電極的表面積，例如將多孔導(dǎo)電材料（如目前市場上占主導(dǎo)地位的活性炭）應(yīng)用于電容器中。但是，他們總是希望做得更好。

　　解決有限電容的一個(gè)方案是制備表面積非常高的材料，如碳納米管和石墨烯。這兩種物質(zhì)是由單層碳原子構(gòu)成，已經(jīng)用于制造高容量的超級電容器。但這兩種材料本身十分昂貴，生產(chǎn)相對困難，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用不大容易。另一種氧化還原-活化分子，該分子容易吸收電子，然后釋放電子。但氧化還原-活化分子材料有自己的不足。在經(jīng)過一些電子周期之后，材料本身就會遭到破壞，其他材料則無法制作多孔的超級電容器。

　　康奈爾大學(xué)的化學(xué)家William Dichtel在2年前就得出結(jié)論，使用COF材料作為超級電容器會獲得滿意的結(jié)果。Dichtel和同事利用有機(jī)物質(zhì)(DAAQ)和(TFP)進(jìn)行組裝，首次制備出COF材料。在合適的條件下，Dichtel研究小組發(fā)現(xiàn)，DAAQ和TFP自組裝可形成大型六角環(huán)單洞中心。更重要的是，六邊形可以像浴室的瓷磚一樣連接在一起。多余的表面以洞排列的形式置于頂層。最終，材料成為一種常規(guī)的晶體形式，該晶體具有多層六邊形的表面，并貫穿細(xì)小的孔，類似于活性炭的表面積。

　　因?yàn)檠趸€原-活化COF材料可以吸收電子，因此可以利用這種材料制備出更好的超級電容器電極。今年早些時(shí)候，研究人員在金電極上生成COF薄片材料，該COF可以儲存160法拉每克(F / g)的電量。但是，要想成為最好的商業(yè)超級電容器，COF本身需要導(dǎo)電。雖然它能快速進(jìn)行充放電，且擁有每個(gè)六邊形中12個(gè)電子的優(yōu)勢，但是電導(dǎo)率的缺乏意味著COF材料一旦超過200納米厚就無法作為電極使用了。“厚薄膜是沒有辦法充電的。“Dichtel說。

　　現(xiàn)在，在本周的美國化學(xué)學(xué)會會議上，Dichtel指出他和團(tuán)隊(duì)成員克服了薄膜厚度的障礙，通過在厚的DAAQ-TFTCOF材料上涂敷一層薄薄的導(dǎo)電聚合物聚PEDOT，實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。測試結(jié)果表明，儲存的所有電量都可以通過PEDOT 傳導(dǎo)到底層的金電極上，電容量為350 F / g，是當(dāng)今市場上超級電容器中電容最高的一種，但仍遠(yuǎn)低于碳納米管設(shè)備報(bào)道的3300 F / g的電容。不過，由于有機(jī)物質(zhì)是現(xiàn)成的，新型COF基超級電容器的市場化會更容易一些。

　　哈佛大學(xué)的化學(xué)家George Whitesides教授說，該新型材料非常整潔，但對于COF基超級電容器來說現(xiàn)在仍處于早期研究階段，因?yàn)楸仨毚嬖谧銐虻淖C據(jù)表明它可以應(yīng)用于汽車等領(lǐng)域。但Dichtel指出，該新型材料可以經(jīng)受成千上萬次的充放電循環(huán)，且沒有任何退化的跡象。同時(shí)他指出，還有很多其他的氧化還原-活性分子可以用來制作COF材料，并且可能性能更好，目前關(guān)于COF的研究只是處于起始階段。”但是，不管怎麼說，他們已經(jīng)做的足夠好了。