超级电容器挑战电池：强大的石墨烯杂化材料，可高效储能

由金属有机骨架（MOF）和石墨烯酸制成的石墨烯杂化物成为超级电容器的极佳正极，因此可实现类似于镍氢电池的能量密度。

慕尼黑工业大学（TUM）的无机和金属有机化学教授Roland Fischer组成的团队开发了一种高效的超级电容器。储能装置的基础是新颖，功能强大且可持续的石墨烯混合材料，其性能数据可与当前使用的电池相媲美。

通常，能量存储与为电子设备提供能量的电池和蓄电池相关联。但是，在笔记本电脑，照相机，手机或车辆中，近来越来越多地使用所谓的超级电容器。

与电池不同，它们可以快速存储大量能量并以同样快的速度将其释放出去。例如，如果火车在进入车站时制动，则超级电容器会存储能量，并在火车启动时非常迅速地需要大量能量时再次提供能量。

然而，迄今为止，超级电容器的一个问题是它们缺乏能量密度。尽管锂蓄电池的能量密度高达265千瓦时（KW / h），但到目前为止，超级电容器仅能提供其十分之一的能量。

可持续材料提供高性能

与TUM化学家Roland Fischer合作的团队现已开发出一种新颖，功能强大且可持续的石墨烯混合材料，用于超级电容器。它用作储能装置中的正极。研究人员正在将其与经过验证的基于钛和碳的负极结合在一起。

由金属有机骨架（MOF）和石墨烯酸制成的石墨烯杂化物成为超级电容器的极佳正极，因此可实现类似于镍氢电池的能量密度。黑色表示材料内的高电子迁移率。

这种新的储能装置不仅具有高达73 Wh / kg的能量密度，大致相当于镍氢电池的能量密度，而且在功率密度为16时，其性能也比大多数其他超级电容器好得多。千瓦/千克新超级电容器的秘密在于不同材料的组合-因此，化学家将超级电容器称为“不对称”。

混合材料：大自然是榜样

研究人员押注了一种克服标准材料性能极限的新策略-他们利用混合材料。“自然充满了高度复杂的，经过进化优化的混合材料-骨头和牙齿就是例子。通过自然地将各种材料组合在一起，可以优化它们的机械性能，例如硬度和弹性，” Roland Fischer说。

研究团队将结合基本材料的抽象思想转移给了超级电容器。作为基础，他们使用了带有化学修饰石墨烯的新型存储单元正电极，并将其与纳米结构的金属有机骨架（即所谓的MOF）结合使用。

强大而稳定

决定石墨烯杂化物性能的一方面是大的比表面积和可控制的孔径，另一方面是高的电导率。“该材料的高性能是基于微孔MOF与导电石墨烯酸的结合，”第一作者Jayaramulu Kolleboyina解释说，他曾与Roland Fischer共同工作。

大表面对于优质超级电容器很重要。它允许在材料中收集大量的电荷载流子-这是电能存储的基本原理。

通过熟练的材料设计，研究人员实现了将石墨烯酸与MOF连接的壮举。所得的混合MOF具有非常大的内表面，高达900平方米/克，并且在超级电容器中作为正极具有很高的性能。

长期稳定

但是，这并不是新材料的唯一优势。为了获得化学上稳定的杂种，人们需要在组件之间建立牢固的化学键。根据菲舍尔的说法，这些键显然与蛋白质中氨基酸之间的键相同：“实际上，我们已经将石墨烯酸与MOF氨基酸连接在一起，从而产生了一种肽键。”

就长期稳定性而言，纳米结构部件之间的稳定连接具有巨大优势：键越稳定，则可能进行的充放电循环就越多，而不会显着降低性能。

为了进行比较：传统的锂蓄电池的使用寿命约为5,000个循环。TUM研究人员开发的新电池即使经过10,000次循环，仍可保持近90％的容量。

国际专家网

菲舍尔强调，研究人员控制自己不受限制的国际合作对于开发新型超级电容器至关重要。因此，贾亚拉穆卢（Jayaramulu Kolleboyina）建立了团队。他是亚历山大·冯·洪堡基金会（Alexander von Humboldt Foundation）邀请的来自印度的客座科学家，现在他是查Jam新成立的印度理工学院化学系主任。

“我们的团队还与巴塞罗那的电化学和电池研究专家以及捷克共和国的石墨烯衍生专家建立了联系，” Fischer报告。“此外，我们拥有来自美国和澳大利亚的集成合作伙伴。这种美好的国际合作对未来充满了希望。”

参考：Kolleboyina Jayaramulu，Michael Horn，Andreas Schneemann，Haneesh Saini，Ari​​stides Bakandritsos，Vaclav Ranc，Martin Petr，Vitalie Stavila，Chandrabhas Narayana，BłażetScheibe，BłażejScheibe，“ Kellebyamenta Scheibe”，“ Koeleboyina Jayaramulu，Michael Horn，Andreas Schneemann，Haneesh Saini，Ari​​stides Bakandritsos，Vaclav Ranc，Martin Petr，Vitalie Stavila，Chandrabhas Narayana，Marta Petr，Vitalie Stavila，Chandrabhas Narayana， Nunzio Motta，Deepak Dubal，RadekZbořil和Roland A.Fischer，2020年12月4日，先进材料。
10.1002 / adma.202004560