手机电池总是不够用？超级电容器或将引领下一代电池革命

天の川

超级电容器

超级电容器，是一种新型的具有远超传统电容器电容，以及超高储能密度的电容器。通过在两个隔离的极板上储存相反电荷，超级电容器可以储存大量的能量。与传统电容器不同，超级电容器不再使用固态电介质，而是使用静电双电层电容和电化学赝电容。静电双层电容使用碳材料电极达到传导电极和电解液的亥姆霍兹双层界面上的电荷分离，这种电荷分离在空间上达到埃的量级（0.3纳米~0.8纳米），远远小于传统电容器。


超级电容器示意图（图片来源：维基百科）

多层电极超级电容器示意图（图片来源：维基百科）
电化学赝电容器使用金属氧化物和高分子导电聚合物作为电极，借助氧化还原反应和电吸附中的感应电荷转移来实现超高的电荷存储，也是超级电容器的一种。

更高，更快，更强

与传统电池相比，超级电容器具有更高的能量密度（300W/kg~5000W/kg，约为电池的 5~10 倍）、更快的充放电速度（充电10秒~10分钟可达到其额定容量的 95% 以上）以及更多的充放电循环（深度充放电循环使用次数可达 1~50 万次，也就意味着更长的使用寿命）、更高的储电放电效率（大电流能量循环效率超过 90%）。


现代生活已经离不开电池（图片来源：4gifs.com）
超级电容器主要应用于需要快速充放电循环和短期能量存储的场景，目前已经在汽车的启停系统（减速或短停车时将动能转化为电能储存在超级电容器里再在加速时电容器放电从而达到节油的目的）、超级电容公交车、城市轨道交通以及物流搬运车等领域开启商用化进程。

同时在风力发电、光伏发电、电梯、港口机械和数据中心快速启动、传统消费电子领域如手机等方面具有较大发展前景，是未来储能器件的重要组成部分。

这些发展离不开他们

超级电容器的快速发展离不开这三位卓越科学家的贡献，他们在这一领域浸淫多年，是碳材料研究的先驱，率先提出很多新型碳材料的合成方法并推进了这些材料在储能方面的应用。


尤里·高果其（图片来源：维基百科）
尤里·高果其（Yury Gogotsi）是材料化学领域领先的乌克兰科学家，自 2000 年以来在宾夕法尼亚州费城德雷塞尔大学担任材料科学与工程和纳米技术领域的教授。尤里·高果其科学团队在新型碳材料（纳米碳管，石墨烯，纳米钻石，介孔碳和洋葱碳）领域占据领先地位，多次以先进方法制备出具有新奇性质的碳材料，并积极探索其在电池和电容器方面的应用，使得人类在高储能密度领域向前迈进一大步。

他与特里斯·西蒙（Patrice Simon）在碳纳米材料的结构与电容性质的关系方面的先驱性的工作使得这一领域获得突破性进展，促进超级电容器等新型储能器件的产生与发展。尤里·高果其团队率先发现了新型的 Mxenes 材料，这种材料被证明在能量储存以及其他领域具有巨大应用价值。他们团队发展了新的合成多孔材料和低维材料的方法，这些材料包括碳基多孔材料、纳米碳管、石墨烯以及各种二维碳化物，他首次提出使用热液合成法合成碳纳米管，并通过原位电子显微镜展示了功能性碳纳米管中的水的反常超慢移动，这些研究大大推动了碳纳米管领域的发展。


特里斯·西蒙（图片来源：维基百科）
特里斯·西蒙（Patrice·Simon）是法国图卢兹的保罗萨巴蒂尔大学材料科学领域的教授。他的研究主要集中在电化学能量储存纳米材料的合成方面，包括电化学电容器和锂离子电池系统。同时他在超级电容器的碳多孔材料的研究也有很多贡献，他提出了通过比较阻抗变化的方法来计算电气系统的老化的方法，发现了新型碳材料在储能器件以及双层电容器期间方面的应用。


罗德尼·S·鲁奥夫（图片来源：维基百科）
罗德尼·S·鲁奥夫（Rodney S. Ruoff）是美国物理化学家和纳米科学家，目前在韩国（国立）蔚山科学技术院担任特聘教授。他和他的研究团队的工作促进了人类在新型碳纳米材料方面的理解。他是碳纳米结构诸如富勒烯、碳纳米管、石墨烯等方面的世界级专家之一。他和 A. L. Ruoff在富勒烯在高压下的力学响应上的预测工作以及他和合作者在 C60在不同溶液系统中的溶解现象的工作阐明了闭合壳层碳结构的新奇性质。他也合作发展了新的用于测量单壁碳纳米管束的力学响应的原位力学检测技术。

他的团队于 2008 年首次使用石墨烯作为超级电容器的电极材料，最近，他们还报道了一种新的超高比表面积负曲率碳材料和原子层厚度的碳多孔材料（孔径从 0.6 纳米到 5 纳米）。根本他们的研究表明，这种多孔碳是一种非常理想的双层超级电容器电极材料。

参考文献:

[1]Supercapacitor, Wikipedia

[2]材料人报告 | 德国克塞尔大学Yury Gogotsi教授SCI发文数据纵览

[3]Yury_Gogotsi , Wikipedia

[4]Prof.Patrice Simon from University of Paul Sabatier France visits IMR

[5]RodneyvS. Ruoff , Wikipedia

[6] Stoller, M. D.; Park, S.; Zhu, Y.; An, J.; Ruoff, R. S. (2008). "Graphene-Based Ultracapacitors". Nano Letters. 8 (10): 3498–502.

[7] Zhu, Y.; Murali, S.; Stoller, M. D.; Ganesh, K. J.; Cai, W.; Ferreira, P. J.; Pirkle, A.; Wallace, R. M.; Cychosz, K. A.; Thommes, M.; Su, D.; Stach, E. A.; Ruoff, R. S. (2011). "Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene". Science. 332 (6037): 1537–1541.