新的电极设计可以提高超级电容器的性能

分支和叶子设计由中空的圆柱形碳纳米管（“分支”）和由石墨烯制成的尖锐边缘的花瓣状结构（“叶子”）组成。蒂姆·费舍尔/加州大学洛杉矶分校工程

加州大学洛杉矶分校亨利·萨缪里工程与应用科学学院和其他四个机构的机械工程师为超级电容器设计了一种超级高效且持久的电极。该设备的设计灵感来自树枝上的叶子的结构和功能，其效率是其他设计的十倍以上。

电极设计提供了与类似电极相同的能量存储量，并提供了与类似电极相同的功率，尽管它的体积更小，重量更轻。在实验中，与同类碳材料制成的最佳现有电极相比，它的质量使电容器产生了30％的电容（一种设备存储电荷的能力），并且单位面积的电容提高了30倍。与10,000多个充电周期相比，它产生的功率也比其他设计高出10倍，并保留了其初始电容的95％。

他们的工作在《自然通讯》杂志上有描述。

超级电容器是可充电的储能设备，与类似大小的电池相比，其容量更大。它们还可以快速充电，并且可以持续数百到数千个充电周期。如今，它们已用于混合动力汽车的再生制动系统以及其他应用。超级电容器技术的进步可以使其广泛使用，以补充甚至替代消费者每天为家用电子设备购买的更熟悉的电池。

CNT / GP微导管的结构表征.a用于高性能超级电容器电极的CC基板上的枝状叶状纳米管结构中的CNT / GP微导管的示意图（请注意，示意图中的黄色阴影区域表示所选区域） b）低倍率下裸露的CC基材（插图显示了单根碳纤维的表面）。c低倍率下碳纤维上的CNT微导管均匀覆盖。d碳微纤维上的CNT微导管特写。 e。呈心形的CNT / GP微导管.f以高放大倍数装饰有许多GP的单个CNT（插图显示CNT微导管阵列壁上的GP）。分层结构的gTEM图像.h的高分辨率TEM图像碳纳米管形成的花瓣。i在CC衬底上的CNT微导管和CNT / GP微导管的拉曼光谱比较。比例尺μ：b500m（插图：3m），c300m，d10m，e20m，f300nm（μ插μ图μ：μ2m），g100nm，h10nm.Natureμ Communications（2018）doi：10.1038 / s41467-018-03112-3

工程师们已经知道超级电容器可以比今天的模型更强大，但是挑战之一是生产更高效，更耐用的电极。电极将存储能量的离子吸引到超级电容器的表面，在该表面上可以使用该能量。超级电容器中的离子存储在电解质溶液中。电极快速传递存储能量的能力在很大程度上取决于它可以与该溶液交换多少个离子：它可以交换的离子越多，传递功率的速度就越快。

知道了这一点，研究人员设计了电极以使其表面积最大化，从而为电极创造了最大可能的空间来吸引电子。他们从树木的结构中汲取了灵感，树木的叶子表面积大，能够吸收大量的二氧化碳用于光合作用。

这项研究的主要研究员，加州大学洛杉矶分校机械和航空工程学教授蒂姆·费舍尔说：“我们经常在自然界中找到灵感，植物已经找到了从环境中吸收化学物质（例如二氧化碳）的最佳方法。”“在这种情况下，我们使用了这个想法，但规模却小得多，实际上只有大约百万分之一。”

为了创建分支和叶子设计，研究人员使用了两个由碳原子组成的纳米级结构。“分支”是中空的圆柱形碳纳米管的阵列，直径约20至30纳米。 “叶子”是边缘锐利的花瓣状结构，约100纳米宽，由石墨烯（超薄碳片）制成。然后将叶子布置在纳米管茎的周围。叶状石墨烯花瓣也赋予电极稳定性。

然后，工程师将这些结构形成为隧道形阵列，用于传输存储的能量的离子以比电解质表面平坦时要低得多的电阻在电解质和表面之间流动，从而传递能量。

电极在酸性条件和高温下（在可以使用超级电容器的两种环境下）也表现良好。

Fisher领导UCLA的纳米级运输研究小组，并且是UCLA加州纳米系统研究所的成员。该项目的另一位主要研究员是密西西比州立大学的教授Chen Chen。第一作者是内华达大学里诺分校的熊国平和中南大学的何平歌。这项研究得到了空军科学研究所的支持。

出版物：熊国平等，“超级电容器的生物启发式枝叶杂化碳纳米结构”，《自然通讯》，第9卷，文章编号：790（2018）doi：10.1038 / s41467-018-03112-3