日本东京理科大学采用导电纳米金刚石提升水基电池的能量存储能力

12月6日消息，据日本东京理科大学官网近日报道，该校科学家发现，在水基电池中采用导电纳米金刚石作为电极材料，可显著提升电池的能量存储能力。如今，超级电容（Supercapacitor）作为一种节能环保的新型储能元件引起了人们的广泛关注。

配备超级电容的丰田混合动力赛车TS040（图片来源：维基百科）

超级电容，又名电化学电容，双电层电容器、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。超级电容具有一个正极和一个负极，两个电极之间有一层隔膜，在正负极和隔膜之间以电解液填充，多孔化的电极具有更大的表面积去吸附电解液的电荷，因此容量可以达到很大。由于储能的过程中没有发生化学反应，所以这种电容充放电可多达数十万次。

超级电容的原理示意图（图片来源：维基百科）

超级电容具有成本低、耐低温、功率密度高、充电速度快、使用寿命长、环境友好等优势。因此，超级电容可应用于一系列领域，例如汽车、可穿戴设备、医疗、备用电源、机械装置、智能仪表等。

打印在纺织品上的石墨烯超级电容（图片来源：曼彻斯特大学）

如今，作为一种安全、高效、高性能的储能装置，超级电容已经开始取代传统电池，例如锂离子电池。可是，目前它能够存储的能量比理想值的要少得多。

为了解决这个问题，TakeshiKondo博士领导的东京理科大学以及Daicel株式会社的课题组，提议采用导电纳米金刚石作为电极材料，制成一种高性能的能量存储设备（超级电容）。该设备适用于长时间内多次快速充放电的应用。在这一次创新中，金刚石又一次闪耀着光芒，脱颖而出。

（图片来源：日本东京理科大学）

这一突破性研究发表在《科学报告（ScientificReports）》期刊上。Kondo博士表示：“如果我们可以创造出一款采用不易燃、无毒性、安全的水系电解液的高性能超级电容，那么它就可以整合到可穿戴设备及其他设备中，掀起物联网的新一波浪潮。”

目前，虽然超级电容潜力巨大，但某些缺陷也在阻碍它们广泛使用。其中一个主要问题就是，能量密度低。也就是说，单位体积内包含的能量不足。为解决上述问题，科学家们首先尝试采用有机溶剂作为超级电容内的电解质（导电媒介），以提升生成的电压（请注意电压的平方与能量存储设备中的能量密度直接成比例）。但是，有机溶剂非常昂贵且导电性差。所以，科学家们考虑，也许水系电解液会更好。

因此，开发可通过水系电解液起作用的超级电容元件成为了这一领域的中心研究课题。

Kondo领导的课题组，探索采用一种新型材料（掺杂硼的纳米金刚石）作为超级电容的电极。电极是电池或者电容中的一种导电材料，它将电解质与外部电线连接起来，将电流传输到系统之外。该课题组选择这种电极材料，是因为他们认识到掺杂硼的纳米金刚石的电位窗口宽，这一特点保证了可长时间稳定工作的高能存储设备。Kondo博士表示：“我们考虑如果采用导电金刚石作为电极材料，就可以实现生成大电压的水基超级电容。”

科学家们采用一项称为“微波等离子体辅助化学气相沉积（MPCVD）”的技术来制造这些电极，并通过测试其特性来检测其性能。他们发现，在具有含水硫酸电解液的基本双电极系统中，这些电极产生的电压比传统电池高得多，使得超级电容的能量和功率密度都变得高得多。进一步说，他们发现，即使在1万次充放电循环之后，电极仍然保持非常稳定。掺杂硼的纳米金刚石已经证明了它的价值。

取得这一成就之后，科学家们开始大胆探索，如果电解质转变为饱和的高氯酸钠溶液（该溶液能比传统的硫酸电解液生成更高的电压）时，这种电极材料是否会产生同样的结果。实际上，在这一配置中，生成的电压大大提升。

因此，正如Kondo博士所说：“掺杂硼的纳米金刚石电极适用于水系超级电容，它适用于高速充放电的高能存储设备。”