多孔石墨烯骨架可提高电化学电容器的能量密度

时间：2021-09-28 11:25:03 来源：

多孔石墨烯骨架的初始溶剂化3D分层多孔结构。

加州大学洛杉矶分校的科学家们开发了一种新的石墨烯材料，可以弥合传统电容器和电池之间的间隙，提高电化学电容器的能量密度，并使它们与铅酸电池相当。

加州大学洛杉矶分校的加利福尼亚纳米系统研究所（CNSI）的研究人员通过使用特殊的石墨烯材料显着提高电化学电容器的能量密度，使其与铅酸电池相当，为移动储能奠定了分水岭。

这种材料被称为多孔石墨烯骨架，具有三维穿孔结构，其特征是微小的孔。加州大学洛杉矶分校（UCLA）化学教授段向峰表示，它不仅可以提高能量密度（存储的能量和准备使用的能量），还可以使电化学电容器保持较高的功率密度（单位质量或体积的功率）。以及负责研究的生物化学。

电化学电容器，也称为EC或超级电容器，是未来储能和移动电源的一项重要技术，但受到低能量密度的限制。与传统电池相比，EC通常具有出色的功率密度和循环寿命-在能量源减少到其原始容量的80％并被认为“用尽”之前，它可以支持的完整充放电循环次数。但是它们的能量密度比电池低至少一个数量级。

由于EC的主要成分是其电极材料，它负责EC的整体性能，因此最近的研究集中在能够提高能量密度而不牺牲功率密度或循环寿命的高效新型材料上。高性能EC电极必须具有高电导率，高离子可及表面积，高离子传输速率和高电化学稳定性。

当前最先进的EC通常使用多孔活性炭电极，其能量密度远低于铅酸电池-每公斤4到5瓦时，而每公斤25到35瓦时（每升5到7瓦时，每升50到90瓦时）。

由Duan领导的CNSI研究人员在《自然通讯》杂志上发表的研究中，使用高度互连的3D多孔石墨烯框架作为电极材料，以创建具有前所未有性能的EC。该电极具有出色的导电性，出色的机械柔韧性和独特的分层孔隙率，可确保电子和离子的有效传输，并实现最高的重量能量密度（每公斤127瓦时）和体积能量密度（每升90瓦时）。

此外，研究小组还表明，完全包装的EC表现出无与伦比的能量密度，每千克35瓦时（每升49瓦时），比当前的商用超级电容器高出五到十倍，与酸电池相当。

Duan说：“多孔的粒状EC弥合了传统电容器和电池之间的能量密度差距，但功率密度却高得多。”“它为从手机到电动汽车等许多应用的移动电源创造了令人兴奋的机遇。”

出版物：Xu Yuxi等，“用于高效电容式能量存储的Holey石墨烯框架”，《自然通讯》第5期，文章编号：4554; doi：10.1038 / ncomms5554

图像：加州大学洛杉矶分校

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