據(jù)外媒報道，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)（Technical University Munich，TUM）的合作團隊研發(fā)出一款超高效超級電容器。該款儲能裝置以新穎、強大且具可持續(xù)性的石墨烯混合材料為基礎(chǔ)，性能數(shù)據(jù)與當(dāng)前使用的電池相當(dāng)。

　　由MOF與石墨烯酸制成的石墨烯混合材料（圖片來源：慕尼黑工業(yè)大學(xué)）

　　通常，儲能設(shè)備與為電子設(shè)備提供能量的電池以及蓄電池相關(guān)。不過，如今越來越多的筆記本電腦、手機或汽車開始安裝超級電容器。

　　與電池不同，超級電容器能夠快速存儲大量的能量，并以同樣快的速度釋放大量能量。例如，如果列車進站時剎車，超級電容器就會存儲能量，并在列車啟動需要快速得到大量能量時將能量提供給列車。

　　但是，迄今為止，超級電容器都有一個問題，即能量密度不足。鋰蓄電池的能量密度可高達265 KW/h，而超級電容器的能量密度只達其十分之一。

　　可持續(xù)性材料提供高性能

　　現(xiàn)在，與慕尼黑工業(yè)大學(xué)合作的團隊為超級電容器研發(fā)了一種新穎、強大且具可持續(xù)性的石墨烯混合材料，可在儲能設(shè)備中充當(dāng)正極。研究人員正將其與基于鈦和碳制成的負極相結(jié)合。

　　此種新型儲能設(shè)備不僅能量密度能夠達到73 Wh/kg（與鎳金屬氫電池的能量密度相當(dāng)），而且比現(xiàn)有大多數(shù)其他超級電容器的性能更優(yōu)，功率密度達16 kW/kg。該款新型超級電容器的秘訣是其結(jié)合了各種不同的材料，因此化學(xué)家將其稱為“非對稱”超級電容器。

　　混合材料：大自然就是模范

　　研究人員利用一種新策略——混合材料來克服標準材料的性能限制。研究人員表示：“自然界中充滿了復(fù)雜、因進化而得到優(yōu)化的材料，如骨頭和牙齒，此類材料的硬度和彈性等機械性能都通過與各種材料的自然組合而得到了優(yōu)化?！?/p>

　　研究團隊將結(jié)合基礎(chǔ)材料的抽象概念轉(zhuǎn)移應(yīng)用于超級電容器。在此基礎(chǔ)上，他們在該儲能設(shè)備中采用了在化學(xué)性能上得到優(yōu)化的石墨烯正極，將其與納米結(jié)構(gòu)金屬有機框架材料，即MOF相結(jié)合。

　　強大且穩(wěn)定

　　石墨烯混合材料一方面具有較大的比表面積和可控的孔徑大小，另一方面還有較高的導(dǎo)電率，也是該款超級電容器達到較高性能的決定性因素。

　　由MOF與石墨烯酸制成的石墨烯混合材料（圖片來源：慕尼黑工業(yè)大學(xué)）

　　較大的比表面積對于實現(xiàn)良好的超級電容器至關(guān)重要，能夠讓材料內(nèi)部各自收集較大數(shù)量的載流子，這也是存儲電能的基本工作原理。

　　利用巧妙的材料設(shè)計，研究人員將石墨烯酸與MOF聯(lián)系在一起，最終得到的混合MOF具有非常大的內(nèi)表面積，可達900平方米/克，能作為超級電容器的高性能正極。

　　長時間的穩(wěn)定性

　　不過，這也不是該種新材料的唯一優(yōu)點。為了實現(xiàn)一種化學(xué)上具有穩(wěn)定性的混合材料，材料的不同成分之間需要強大的化學(xué)鍵，與蛋白質(zhì)和氨基酸之間的化學(xué)鍵相同。因此，研究人員將石墨烯酸與一種MOF氨基酸連接起來，從而形成了一種肽鍵。

　　納米結(jié)構(gòu)組件之間的穩(wěn)定連接在實現(xiàn)長期穩(wěn)定性方面具有巨大的優(yōu)勢，此類化學(xué)鍵越穩(wěn)定，充放電循環(huán)的次數(shù)就會越多，而且不會對儲能設(shè)備的性能造成顯著損害。

　　相比之下，普通鋰蓄電池的使用壽命約為5000次充放電循環(huán)，而慕尼黑工業(yè)大學(xué)研發(fā)的新型超級電容器即使在1萬次充放電循環(huán)后，仍可以保留近90%的容量。