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美国科学家开发出快速廉价的超级电容电极制备方法

 美国华盛顿大学材料科学与工程专业研究人员提出了一种快速且廉价的超级电容电极及其制备方法。其创新方法的基础是干燥成低密度基质(气凝胶)的富炭材料。这种气凝胶自身就可做为原始的电极,但研究团队在其基础上将其存储电荷的能力提升了一倍。

这种材料的价格并不昂贵,加上流水线化的合成工艺,从而克服了工业应用的两大障碍,即成本和速度。在时间上,从材料到电极仅需仅数小时而非数周,这使合成高性能超级电容的成本大幅下降。

由富碳材料合成的高效超级电容具有高表面积。高表面积是超级电容存储电荷的唯一途径,因而非常重要。传统电池通过内部化学反应存储电荷,而超级电容则直接在其表面上分别存储正负电荷。由于超级电容不需要像电池一样受化学反应速度和副产品的限制,因此充放电速度更快,更适合用于施放电力脉冲。

为了得到高表面积的高效电极,研究团队研究了气凝胶技术。这些潮湿的凝胶状物质,在经过特别的干燥和加热处置后,其液态部分被空气或其他气体所取代。这种工艺保持了凝胶的3D结构,使其具有高表面积和极低的密度。这一工艺有点像把一个果冻里的水分全部去除但保持了其体积。1克气凝胶内部表面积约有一个足球场那么大。

研究人员利用凝胶状高分子聚合物制伏气凝胶。这种高分子聚合物拥有重复的结构单元,由甲醛或其他碳基分子组成。起初,研究人员试图通过添加石墨烯来制备气凝胶,但考虑到石墨烯对于性能的提升不大,以及合成工艺的成本和复杂性问题,后来还是决定采用二硫化钼或二硫化钨来制备气凝胶,这两种化学品在工业润滑领域被广泛使用。

研究人员利用高频声波对这两种材料进行处理,将其打碎成薄片并加入富碳凝胶基质中。这些材料用不到2小时的时间形成了满载湿凝胶,而其他方法可能需要数天时间。在获得干燥和低密度的气凝胶后,研究人员将其与粘合剂和另一种富碳材料混合以制成一种工业“面团”,这种“面团”可简单地铺制成仅千分之一英寸厚的薄片。研究人员切下半英寸大小的一片并填入硬币电池外壳以对其作为超级电容电极的有效性进行测试。结果表明,其存储能力比富碳气凝胶自身高127%,制备工艺快速、简单并且廉价。

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