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探索超级电容器以改善其结构

无论他们的名字多么令人生畏,超级电容器都是我们日常生活的一部分。以公共汽车为例:超级电容器在制动期间充电,并在车辆停止时供电以打开车门!然而,以前从未观察到这些蓄电装置的分子组织和功能。CNRS和奥尔良大学的研究人员第一次在商业上可用的超级电容器中研究了分子重排。科学家设计的技术为优化和改进明天的超级电容器提供了一种新工具。

结果于2013年2月17日在Nature Material s上在线发布。

超级电容器是与电池完全不同的电力存储设备。与这些不同,它们的充电速度更快(通常在几秒钟内),并且它们不会因充电/放电而遭受如此快速的磨损。另一方面,在相同的尺寸下,尽管它们提供更大的功率,但它们不能存储与电池一样多的电能(碳基超级电容器提供的能量密度约为5 Wh / kg,而锂离子的能量密度约为100 Wh / kg电池)。超级电容器用于在许多车辆(汽车,公共汽车,火车等)中恢复制动能量,并用于打开空中客车A380的紧急出口。

超级电容器通过纳米多孔碳电极和离子之间的相互作用来存储电,其携带正电荷和负电荷,并且在称为电解质的液体中移动(参见下图)。当充电时,阴离子(带负电的离子)被负电极中的阳离子(带正电的离子)取代,反之亦然。这种交换越大,可用的碳表面积越大,超级电容器的容量越大。

利用核磁共振(NMR)光谱,研究人员深入研究了这一现象,并首次能够量化使用市售碳在两个超级电容器中进行电荷交换的比例。通过比较两种纳米多孔碳材料,他们能够证明含有结构最无序的碳的超级电容器具有更大的电容和改善的高压耐受性。这可能是由于在与电解质分子接触时更好的电子电荷分布。

这些结果来自两个奥尔良团队之间的合作:一个来自CNRS CEMHTI(1),专门从事核磁共振和一个RéseauFrançaisurle Stockage Electrochimique de l'Energie的成员,另一个来自中心de Recherche sur la MatièreDivisée(CNRS /Universitéd'Orléans),专注于研究超级电容器的新型碳材料。这种互补性使得开发一种技术成为可能,该技术为研究实验室和工业提供了优化超级电容器材料的真正工具。

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