美加州大學等研究人員以納米管結合石墨烯設計性能可提高10倍的超級電容器電極

來自加州大學洛杉磯分校的工程師和其他4所大學的工程師製作了模仿樹枝結構的納米級設備。

圖：由空心圓柱形碳納米管陣列組成「枝」，由石墨烯製成的銳邊花瓣狀結構的「葉」

來自加州大學洛杉磯分校亨利薩繆利工程和應用科學學院和其他四所大學的機械工程師已經為超級電容器設計了一種超級高效和持久的電極。該裝置的設計靈感來自於樹枝上樹葉的結構和功能，它的效率是其他設計的10倍以上。

與類似的電極相比，儘管體積更小，重量更輕，該電極設計可提供相同數量的能量存儲，並提供儘可能多的功率。在實驗中，與使用類似碳材料製成的最佳可用電極相比，它將電流容量提升30％ ，單位面積電容提高30倍。它還產生了比其它設計高10倍的功率，並在超過10,000次充電周期後保留了95％的初始電容。

這項研究（《Bioinspired leaves-on-branchlet hybrid carbon nanostructure for supercapacitors》）發表於近期的《Nature Communications》上。

超級電容器是一種可充電的儲能設備，其容量比同類電池的容量更大。它們還能快速充電，並持續數百至數千次充電循環。目前，他們被用於混合動力汽車的再生制動系統和其他應用。超級電容器技術的進步可以使其廣泛應用，作為消費者每天購買家用電子產品的更熟悉的電池的補充，甚至是替代。

工程師們已經知道超級電容器可以比目前的模型更強大，但挑戰來自於如何生產出更高效和耐用的電極。電極將儲存能量的離子吸引到超級電容器的表面來利用這些能量。超級電容器中的離子儲存在電解質溶液中。電極能否快速傳遞儲存的能量在很大程度上取決於它能與溶液交換多少離子：它能交換的離子越多，它就能越快地傳遞能量。

知道了這一點，研究人員設計了他們的電極，以最大限度地擴大其表面積，為其創造儘可能多的空間來吸引電子。他們從樹木的結構中得到靈感，樹木能夠吸收大量的二氧化碳進行光合作用，因為它們的葉子比表面積大。

該研究的首席研究員、加州大學洛杉磯分校(UCLA)的機械和航空工程教授蒂姆·費希爾(Tim Fisher)說，「我們經常在自然界中找到靈感，植物已經找到了從環境中吸收二氧化碳等化學物質的最佳途徑。在這種情況下，我們借用了這個想法，但規模要小得多，實際上是這個數字的百萬分之一。」

為了設計這些「枝葉」，研究人員使用了兩個由碳原子組成的納米級結構。「樹枝」是中空圓柱形碳納米管陣列，直徑約20至30納米;而「葉子」是鋒利的花瓣狀結構，約100納米寬，由石墨烯這種超薄的碳片組成。然後將葉子布置在納米管莖的周邊上。葉狀石墨烯花瓣也賦予電極穩定性。

然後，工程師們將這些結構形成隧道狀陣列，因而輸送儲存能量的離子在電解液和表面之間流動時，傳遞能量的阻力比電極表面平坦時要小得多。該電極在酸性條件和高溫下也表現良好，在這兩種環境下都可以使用超級電容器。（參考來源：美國加州大學洛杉磯分校）

來源：智識諮詢

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