全球首款不含碳超級電容問世 儲電潛力巨大

    超級電容因充放電速度快、功率密度高等因素成為能源儲存系統的研究熱門。目前超級電容都是利用比表面積大的碳基材料制成，比如碳納米管、石墨烯以及活性炭等。如今，有科學家研制出了首個不含碳的超級電容，同時性能還超過了碳基材料。此不含碳基的電容材料優化后，儲電潛力可能是目前碳基超級電容的3倍。

    上述研究成果在權威雜志《自然》的子刊《自然材料》（Nature Materials）上在線發表。研究者為美國麻省理工學院（MIT）化學系的副教授Mircea Dinc 等6人的團隊。

    以往的含碳的超級電容一般在生產過程中需要800以上的高溫以及刺激性強的化學物質，新的不含碳超級電容則不需要。

Ni3(HITP)2的結構示意圖

    Mircea Dinc的團隊研制出的不含碳的超級電容，是用一種金屬——有機框架材料的（metal-organic frameworks，MOFs）Ni3(HITP)2代替此前的含碳材料。MOFs具有像海綿一樣的多孔性結構，其表面積比碳基材料大很多，而超大表面積對于超級電容性能表現非常重要。因為超級電容的電容和充電—放電速率分別與表面積和電導率成比例，所以在超級電容中一般盡可能選用比表面積大的材料。不過，MOFs有一個大的缺陷，它們沒有超級電容要求的電子傳導性。Mircea Dinc表示，雖然他們認為讓MOFs具有導電性被認為極其困難，但他們最終展現了MOFs非常好的離子傳導性能。

   測試表明，新超級電容充放電1萬次后儲能損失不到10%，在許多關鍵性能參數的表現上，已經相當于甚至超越了現有的碳基材料的超級電容。

    不過，Mircea Dinc稱，這還只是個開始，MOFs材料還有很大的優化潛力。因為Mircea Dinc使用的MOFs是已知的最低表面積的MOFs之一，并且這些MOFs材料中的一些比表面積可以是碳基材料的三倍，相對應儲電性能將會提高很多。

    Mircea Dinc稱，“目前的雙電層電容器都是碳基材料的，我們這是第一個非碳的雙電層超級電容。”比利時魯汶天主教大學的化學教授Alexandru Vlad稱，從科學和應用的角度來看，這是個非常重要的發現。他補充說，超級電容器不會再單是由碳基材料主導了。現在Mircea Dinc等人提供的突破：他們設計了具有高表面積和高觸點性能的MOFs電容，從而挑戰了超級電容器此前的價值鏈。

    Mircea Dinc表示，除了比碳基材料稍貴外，MOFs的優勢明顯，比表面積大，生產中的溫度和化學條件都不再嚴苛，比較容易得到。未來除了用于超級電容外，MOFs還能用于儲存天然氣、生產可調節亮度的窗戶以及醫用或安全性檢測的化學探測器。

    如果MOFs的超級電容將來用在汽車上，充電將不再是電動車推廣的瓶頸。此外，該團隊也表示，超級電容器具有更高的儲電能力，同樣可以在可再生能源的廣泛發展中發揮重要作用。同時，超級電容器儲能系統還可以在負荷低落時儲存電源的多余電能，而在負荷高峰時回饋給微電網以調整功率需求，對微電網起到必要的能量緩沖作用。

    不過，完美的電容材料比電池電極材料更難研發。此次Mircea Dinc團隊研發的全新不含碳的超級電容或將給超級電容的發展帶來一抹亮色。<