慕尼黑工業(yè)大學(xué)開發(fā)新型混合超級(jí)電容器
文章信息
技術(shù)領(lǐng)域：混合超級(jí)電容
開發(fā)單位：慕尼黑工業(yè)大學(xué) Roland Fischer
文章名稱：Kolleboyina Jayaramulu, Roland A. Fischer, et al. Covalent Graphene‐MOF Hybrids for High‐Performance Asymmetric Supercapacitors. Advanced Materials, 2020.
技術(shù)突破：研發(fā)出了一種新型混合超級(jí)電容器，能量密度與鎳氫電池相當(dāng)，功率密度是鋰電池10倍，在10000次循環(huán)后仍能保持接近90%的容量
應(yīng)用價(jià)值：可用于解決超級(jí)電容能量密度低的問題。
超級(jí)電容器與電池的不同之處在于，它們可以快速儲(chǔ)存大量能量，并以同樣快的速度釋放。例如，列車在進(jìn)站時(shí)剎車，超級(jí)電容器就會(huì)儲(chǔ)存能量，并在列車啟動(dòng)時(shí)非?？焖俚卦俅翁峁┠芰?。然而，此前由于能量密度問題，超級(jí)電容器的發(fā)展一直止步不前：鋰蓄電池的能量密度可達(dá)265千瓦時(shí)(kW/h)，而超級(jí)電容器只能達(dá)到其十分之一。
圖1 高效混合超級(jí)電容器原理圖
慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TUM)Roland Fischer的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種高效的超級(jí)電容器。該儲(chǔ)能裝置采用了一種既新型又強(qiáng)大、同時(shí)也是可持續(xù)發(fā)展的石墨烯混合材料作為正極，與基于鈦和碳的成熟負(fù)極相結(jié)合，即所謂的MOF相結(jié)合，這種混合材料具有較大的比表面積和可控的孔徑，而且導(dǎo)電性也較高，這是其性能的決定性因素。新型儲(chǔ)能裝置不僅能量密度高達(dá)73 Wh/kg，大致相當(dāng)于鎳氫電池的能量密度，而且在功率密度為16 kW/kg的情況下，其性能也遠(yuǎn)超其他大多數(shù)超級(jí)電容器。通過巧妙的材料設(shè)計(jì)，研究人員實(shí)現(xiàn)了將石墨烯酸與MOFs相連接，所得的混合MOFs具有非常大的內(nèi)表面，每克高達(dá)900平方米。研究人員指出，納米結(jié)構(gòu)成分之間的穩(wěn)定連接，在長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，鍵越穩(wěn)定，充放電循環(huán)次數(shù)就越多，而不會(huì)有明顯的性能損害。傳統(tǒng)的鋰電蓄能器的使用壽命約為5000次，而新型超級(jí)電容器，即使在10000次循環(huán)后，仍能保持接近90%的容量。(來源：財(cái)聯(lián)社)
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技術(shù)領(lǐng)域：可降解超級(jí)電容
開發(fā)單位：蘭州大學(xué)，蘭偉；蘭州大學(xué)，王凱榮；美國(guó)休斯敦大學(xué)，余存江.
文章名稱：Hongwei Sheng, Wei Lan, Kairong Wang, Cunjiang Yu, et al. A thin, deformable, high-performance supercapacitor implant that can be biodegraded and bioabsorbed within an animal body. Science Advances, 2020.
技術(shù)突破：研究了一種輕薄、柔性的全生物可降解超級(jí)電容器植入物，具有較高的能量密度和功率密度，且全部由綠色、安全、生物相容性的材料構(gòu)成，任務(wù)完成后可在生物體內(nèi)完全降解并被吸收，經(jīng)自然新陳代謝排出體外，無需二次手術(shù)移除，具有安全、健康、低成本等特點(diǎn)。
應(yīng)用價(jià)值：有望為下一代生物可降解植入式醫(yī)療電子器件或其他瞬態(tài)電子器件的供能問題提供能量解決方案。
植入式醫(yī)療電子器件有望實(shí)現(xiàn)健康的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)診療，目前其能量供應(yīng)主要依賴于植入式一次電池。這種電池會(huì)占據(jù)整個(gè)器件的大部分質(zhì)量和體積，在電池耗盡或工作結(jié)束后需要通過手術(shù)去替換或移除。由于電池中包含有毒或有害物質(zhì)，在植入前需要對(duì)其外部進(jìn)行嚴(yán)格的剛性封裝和生物相容性處理。超級(jí)電容器具有快速充放電、功率密度高和長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，可為有源的植入式醫(yī)療電子器件進(jìn)行供能，被認(rèn)為是一種理想的儲(chǔ)能裝置。
圖2 可降解超級(jí)電容器植入物原理圖
蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授蘭偉課題組聯(lián)合美國(guó)休斯敦大學(xué)教授余存江和蘭州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院教授王凱榮，研究了一種輕薄、柔性的全生物可降解超級(jí)電容器植入物。研究人員采用簡(jiǎn)單、綠色、可控的電化學(xué)氧化策略，在水溶性金屬鉬箔表面原位生長(zhǎng)了一層富缺陷的非晶氧化鉬微納米片陣列作為電極，生物相容的海藻酸鈉水凝膠作為電解質(zhì)，組裝成對(duì)稱固態(tài)超級(jí)電容器植入物。研究人員表示，封裝后的器件可在模擬體液環(huán)境中有效工作長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月，且實(shí)現(xiàn)了工作壽命的長(zhǎng)短可控。器件的能量密度較高，在不同角度持續(xù)彎曲數(shù)百次之后，未發(fā)現(xiàn)明顯的能量衰減，通過器件串并聯(lián)可為各類商用電子產(chǎn)品進(jìn)行供能。研究人員將該器件植入大鼠皮下后能正常工作，任務(wù)完成之后的半年內(nèi)，該器件通過一系列水解反應(yīng)和新陳代謝被自然吸收，未對(duì)生物體產(chǎn)生任何不良反應(yīng)。該器件具有較高的能量密度和功率密度，且全部由綠色、安全、生物相容性的材料構(gòu)成，任務(wù)完成后可在生物體內(nèi)完全降解并被吸收，經(jīng)自然新陳代謝排出體外，無需二次手術(shù)移除，具有安全、健康、低成本等特點(diǎn)。該研究有望為下一代生物可降解植入式醫(yī)療電子器件或其他瞬態(tài)電子器件的供能問題提供能量解決方案。(來源：蘭州大學(xué))
