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美国发明新型"设计碳" 可显著提高电池能量存储性能

2015-06-10 06:26
九一隐士
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  斯坦福大学(Stanford University)的科学家创造了一种新型碳材料,它可以显著提高电池能量存储的性能。这一研究成果作为封面文章发表在了ACS Central Science上。

  Zhenan Bao是这项研究的主要作者,也是斯坦福大学化学工程的教授。他说道:“我们已经开发出的‘设计碳’是多用途的,并且是可以进行控制的。研究表明,这种材料具有优秀的能源储存性能,能够使得锂硫电池和超级电容具有高性能。”

  根据Bao的研究,这一新的设计碳比传统的活性炭(广泛用于水过滤器和空气除臭剂的廉价材料)具有更好的性能。

  Bao说道:“许多活性炭是由椰子壳做成的,为了将椰子壳变成活性炭,我们需要对它进行高温烧制和化学处理。”

  激活碳的过程中,会产生纳米孔,从而增加了碳的表面积,使得它能催化更多的化学反应,储存更多的电荷。

  Bao补充说道,活性炭有严重的缺点,例如,空洞之间缺乏互联互通,使得电力传输能力受到限制。

  Bao说:“活性炭无法控制孔洞间的连通性。同样,从椰子壳制作的活性炭也含有大量的杂质。作为冰箱除臭剂,传统的活性炭没有问题,但是它不能提供电子设备和能源存储这方面的良好性能。”

  三维网络

  Bao和他的同事开发了一种新方法,他们使用成本相对便宜且无污染的化合物和聚合物而不是椰子壳,合成了一种高质量的碳。

  这个过程开始于导电水凝胶,一种海绵状纹理的水基聚合物。

  Bao说道:“水凝胶聚合物形成一个互联互通的三维框架,这个框架适合于电力传导。此外这个框架还包括有机分子和功能性院子,如氮,它能让我们调整电子性质。”

  在这项研究中,斯坦福大学的研究团队使用一种温和的碳化和活化过程,将聚合物有机框架转化为纳米碳厚片。

  此项研究的共同第一作者John To(研究生)说道:“碳片形成的三维网络具有良好的孔洞连通性和电力传导性。同时,我们加入了氢氧化钾,用以激活碳片,增加它的表面积。”

  结果就是:设计碳能够为各种不同的应用进行微调。

  To说道:“我们之所以称之为设计碳,是因为我们可以控制它的化学成分,孔洞尺寸和表面积,而这是通过改变聚合物和有机连接的类型,或者是在制作过程中调节温度而实现的。”

  例如,将处理温度从400摄氏度提高到900摄氏度,将会导致孔洞体积增加10倍。

  后续处理过的碳材料中,表面积重量比将高达4073平方米每克,这是一项新的记录,这相当于将3个美式足球场塞入到一盎司的碳里面去。而传统的活性炭中每克最大表面积只有3000平方米。

  Bao说道:“较大表面积对于很多应用都具有重要作用,包括电催化、能量储备和存储二氧化碳。”

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