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下一代储能突破：快速充电，长时间运行，灵活

时间：2022-04-01 12:25:05 来源：

一种由石墨烯制成的新型可弯曲超级电容器，可快速充电并安全地存储创纪录的高能量水平，可长期使用。

在概念验证阶段，这种新型可弯曲的基于石墨烯的超级电容器在便携式应用中显示出巨大的潜力，可用于包括电动汽车，电话和可穿戴技术在内的多种实际应用。

该发现于今天（2020年2月17日）发表在《自然能源》上，克服了高功率，快速充电的超级电容器所面临的问题-它们通常无法在狭小的空间中容纳大量能量。

该研究的第一作者李壮南博士（UCL化学）说：“我们的新型超级电容器对于下一代储能技术非常有前途，可以替代当前的电池技术，也可以与之并用，从而为用户提供更多的电力。

“我们设计的材料将赋予我们的超级电容器高功率密度-即它可以充电或放电的速度-以及高能量密度-这将决定它可以使用多长时间。通常，您只能具有这些特性之一，但是我们的超级电容器可以同时提供这两个特性，这是一个关键的突破。

“此外，超级电容器可以弯曲180度而不会影响性能，并且不使用液体电解质，这将爆炸的风险降到了最低，使其非常适合集成到弯曲的手机或可穿戴电子设备中。”

一个由化学家，工程师和物理学家组成的团队致力于这一新设计，该设计使用了创新的石墨烯电极材料，该材料的孔可以改变大小，从而更有效地存储电荷。这种调整可将超级电容器的能量密度最大化，达到创纪录的88.1 Wh / L（瓦特小时每升），这是碳基超级电容器有史以来报道的最高能量密度。

类似的快速充电商业技术具有5-8 Wh / L的相对较差的能量密度，而用于电动汽车的传统慢速充电但长期运行的铅酸电池通常具有50-90 Wh / L。

尽管该团队开发的超级电容器的能量密度与铅酸电池的最新技术水平相当，但其功率密度却高出两个数量级，每升功率超过10,000瓦。

UCL数学和物理科学系资深作者兼院长Ivan Parkin教授（UCL化学）说：“在紧凑的系统中成功安全地存储大量能量是朝着改进能量存储技术迈出的重要一步。我们已经证明它可以快速充电，可以控制其输出，并且具有出色的耐用性和柔韧性，非常适合用于小型电子产品和电动汽车的开发。想象一下，仅需要十分钟就可以为电动汽车充满电，或者只需花费几分钟就可以将手机持续一整天。

研究人员由多层石墨烯制成电极，产生了一种致密但多孔的材料，能够捕获不同大小的带电离子。他们使用多种技术对其进行了表征，发现当孔径与电解质中离子的直径相匹配时，其性能最佳。

经过优化的材料（形成薄膜）被用于构建具有高功率和高能量密度的概念验证设备。

6cm x 6cm的超级电容器是由两个相同的电极制成的，该电极位于凝胶状物质的两侧，而凝胶状物质充当电荷转移的化学介质。它用于为数十个发光二极管（LED）供电，并且被发现具有很高的鲁棒性，灵活性和稳定性。

即使以180度弯曲，它的性能也几乎与平坦时相同，并且经过5,000次循环后，它仍保留了其容量的97.8％。

高级作者，中国科学院的李峰教授说：在未来的三十年中，智能技术的世界将加速发展，这将极大地改变通讯，交通和我们的日常生活。通过使储能变得更加智能，设备将通过与设备自动交互并与设备交互而变得对我们不可见。我们的智能电池是如何改善用户体验的一个很好的例子，它们在未来的应用中显示出作为便携式电源的巨大潜力。”

参考：李壮南，Srinivas Gadipelli，李胡成，Christopher A.Howard，Dan JL Brett，Paul R.Shearing，郭正孝，Ivan P.Parkin撰写的“调整石墨烯层压膜的层间距以有效地利用孔洞实现紧凑的电容式能量存储以及李锋，2020年2月17日，自然能源。DOI：
10.1038 / s41560-020-0560-6

这项研究是由中国国家科学基金，中国科学技术部，中国科学院和EPSRC资助的。

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