延长电动汽车电池使用寿命的电双层电容器

为了开发新一代电动汽车、太阳能系统和其他清洁能源技术，研究人员需要一种有效的途径来存储能量。有一种关键的能量存储设备适用于这些应用和其他应用，就是超级电容器，也称为电双层电容器(electricdouble-layercapacitor)。

独特的三维阵列纳米孔刻在沸石矿模板炭中，使它能够用作电极，以制备高性能超级电容器，这种电容器具有高容量和快速充电时间。

在最近的一项研究中，科学家们已经考察了可能使用的一种材料，这种材料叫做沸石矿模板碳(zeolite-templatedcarbon)，可作为电极，用于这种类型的电容器，他们发现，这种材料独特的孔状结构大大提高了电容器的整体性能。

研究人员博之福华(HiroyukiItoi)，西原博友(HirotomoNishihara)，太极小暮(TaichiKogure)，京谷隆(TakashiKyotani)来自日本仙台(Sendai)东北大学(TohokuUniversity)，他们已经发表的成果就是研究高性能电双层电容器，发表在最近一期的美国化学学会杂志(JournaloftheAmericanChemicalSociety)。

为了储存能量，电双层电容器充电要使用离子，这些离子从本体溶液(bulksolution)迁移到电极，在那里它们被吸附。在到达电极表面之前，这些离子必须穿过狭窄的纳米孔，而且要尽可能快速高效。基本上可以说，离子穿过这些路径越快，电容器充电就越快，就会带来高速度性能。此外，电极吸附离子密度越大，电容器可以存储的电荷量就越大，就会带来高容量电容。

最近，科学家们一直在测试材料，他们使这些孔具有各种不同的大小和结构，努力实现既有快速的离子传输，又有很高的吸附离子密度。但是这两个要求是有点矛盾的，因为离子穿过较大的纳米孔会更迅速，但大纳米孔会使电极密度低，从而降低吸附离子密度。

“在这项工作中，我们成功地表明，有可能满足这两个看似矛盾的要求，就是满足高功率密度和高容量电容，采用沸石矿模板炭就可以，”西原对物理学家组织网站说。

这种沸石矿模板炭包含的纳米孔直径是1.2纳米，小于大多数电极材料，而且有一种非常有序的结构，而其他的孔可能就是无序的和随机的。这种纳米孔的小尺寸就使得吸附离子密度很高，而这种有序的结构被描述为钻石般的框架，就使离子可以快速穿过纳米孔。在先前的研究中，研究人员发现，沸石矿模板炭上面的纳米孔小于1.2纳米，就无法实现快速离子传输，这表明这一尺度可提供最佳平衡，就是平衡高速性能与高容量电容。

在测试中，沸石矿模板炭的性能超过了其他材料，表明它可被用作一种电极，用于高性能电双层电容器。

“我们现在正在试图进一步提高沸石矿模板炭的能量密度，使它达到和充电电池相同的水平，”西原说。“如果这样的电双层电容器被开发出来，用于移动设备比如手机，充电时间就可缩短到只有几分钟。还有另一个重要的应用前景，就是电双层电容器可以支持电动汽车的充电电池，延长电池使用寿命。也为了这种目的，实现更高的能量密度就是一个关键问题。”