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弯曲 180 度也不影响性能,石墨烯超级电容有助穿戴式设备、电动车

2024-05-10 214


又轻又薄、还可以任意弯曲,最近英国与中国科学家利用神奇材料石墨烯(graphene),一同研制出能装在电动车、手机、穿戴式设备的超级电容,不仅可近乎对折,5,000 次充放电循环后,还能保有 97.8% 的容量。

超级电容充放电快速,又可以快速充电,但它有个重大的缺点,体积与储存容量成正比,小型超级电容往往无法储存大量的能源,而此次英国伦敦大学学院(University College London,UCL)与中国科学院科学家或许解决这个挑战了。

超级电容(supercapacitor)的储电方式分为双电层电容与伪电容,前者以高表面积的碳材料做为电极,电极材料只用来吸收电荷,并不会与电解质发生反应;后者则是运用电极表面与电解质间的电化学反应来储存电量,储电方式跟手机上的锂离子电池较为相像。

而该团队以多层石墨烯制造出超级电容电极,新型石墨烯密集又多孔的结构特性能捕捉不同大小的电荷离子,而科学家透过多种技术表征石墨烯材料后,发现当孔洞与电解质的离子恰好契合时,性能表现最好。

科学团队最佳化材料制作出两片多层石墨烯薄膜后,再用胶状物质包覆石墨烯薄膜以传递电荷,最终完成 6×6 公分的超级电容。研究指出,新型石墨烯超级电容不仅稳定又可挠,还可以为数十盏 LED 供电。

除此之外,新型电容弯曲角度可达 180°,5,000 次充放电循环后,也能保有 97.8% 的容量。论文第一作者 Zhuangnan Li 表示,即使弯曲 180 °也不会影响性能,且因为超级电容不含液态电解质,也不会有爆炸的风险。

新型材料让超级电容同时具备高功率密度与高能量密度,前者决定了充放电速度、后者则是影响用电量,Li 表示,而鱼与熊掌不能兼得,通常科学家只能二选一,因此这项研究可谓一大突破。

根据研究,超级电容的体积能量密度为 88.1 Wh/L,除了远高于过去技术的 5-8 Wh/L,也比铅酸电池的 50-90 Wh/L 还要高,功率密度也比铅酸电池高两倍达 10,000 W/L。UCL 数学物理科学院院长 Ivan Parkin 表示,新型超级电容可快充与控制输出,同时拥有出色的耐用度和灵活性,团队认为这项技术非常适合用于小型电子产品和电动车的开发。

目前研究已发表在《Nature Energy》。

  • Fast-charging, long-running, bendy energy storage breakthrough

(首图来源:UCL)

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2020-02-20 13:17:00

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