工业和信息化部主管

Graphene-info:电极?树枝?超级电容也搞仿生学?

 来自UCLA,密西西比州大学(内达华)和中南大学的研究者们设计了一个基于石墨烯电极的有效且持久的超级电容。该设计的灵感来源于树叶的结构与功能,效率是其他超级电容的10倍。

 

 

据报道,这种超级电容的电极在体积更小,重量更轻的条件下,依然能提供同样的储能功能和电极效率。实验中,此电极储存电荷的能力提高了30%。这是相似的碳材料在这个质量下可以制成的最好电极,每区的电容量提高了30倍。相比其他超级电容,这种超级电容的功率是其他超级电容的10倍,初始电容经过1000次充电循环后还能保留95%。

 

众所周知,超级电容可以具有更大的功率,可是要解决的首要问题是生产出更高效耐用的电极。电极吸引离子,储存能量,然后到超级容器的表面,就可以使用。超级电容器中的离子被储存在电解质溶液中。电极储存能量的快慢很大程度上取决于它与电解液交换离子的速度,交换的离子越多,传递能量的速度越快。

 

基于以上观点,研究人员设计的电极使其表面积最大化,为其吸引电子提供尽可能大的空间。他们从大树的结构中汲取灵感,为了吸收更多的CO2进行光合作用,树叶提供了非常大的表面积。“我们经常从自然界中获得灵感,比如植物知道吸收CO2等化学物质的最佳途径”该研究的主要负责人,UCLA的机械和航天工程教授说,“在这种情况下,我们利用这种想法制作电极,但是尺寸小得多,只有树叶的百万分之一大。”

 

为了设计树枝—树叶这种结构,研究人员使用了由碳原子组成的两个纳米结构。“树枝”是直径为20到30nm的中空圆柱形碳纳米管阵列,而“叶子”是由石墨烯制成的尖锐的花瓣状结构,约100nm宽。然后将叶片布置在纳米管茎上。叶片状石墨烯花瓣也赋予电极稳定。

 

研究者们将这些结构排成隧道形的阵列,这样相比于平坦的电极表面,离子通过电解质和电极表面时阻力大大减少。而且该电极在酸性条件下和高温下也能很好地工作,所以在这两种环境下超级电容都可以使用。

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