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新型储电材料让特斯拉充电更快

放大字体  缩小字体 发布时间:2015-12-04  来源:网易科技

科学家已经研发出一种新型储电材料,能使汽车制造商制造出充电速度更快的电动汽车。

您买的下一辆电动汽车可能比之前的更有活力,这是因为据相关科学家报道,他们已经研发出一种新型储电材料,其在维持大容量和快速充放电方面处于领先水平。此外,由于其原材料在市场上可以轻易获取,而且还不太贵,它可能比那些仍在研发当中的,虽然有着更高性能,却依赖于特殊材料的材料更实用。这样一来,汽车制造商将能打造出充电更快的汽车,且驾驶里程将超过现在路面上的任何电动汽车。

  这种新材料叫做共价有机框架(COF),是一种多孔晶体材料。它可以放在“超级电容器”内部,用于储存电能。超级电容器的用途颇为广泛,大到汽车,小到电脑,都可以找到它的身影。以最简单的超级电容器为例,它由导电液体解质分隔开的两个金属电极构成。给设备充电时,你需要在电极两端加载一定的电压。然后,带有相反电荷的离子会聚集在电极表面,在充电完成断开电压之后这些带电离子也不会离开电极。当超级电容器放电时,电子从负极流向正极,沿途做功,释放储存的能量。

由于电荷转移如此之快,超级电容器可以在数秒内完成充放电过程,而普通电池的充放电过程需要耗费数小时。这使得超级电容器成为电动汽车中再生制动系统的理想选择,这一系统利用刹车过程中的能量来产生瞬间存储的电流。

麻烦的是超级电容器的存储电量受限于其电极的表面积,远低于普通电池的体积存储容量。鉴于该局限性,自然而然会有一些公司设法去增大电极的表面积,如借助多孔导电材料(如统领市场的活性炭)来实现这一目标。当然,他们一直在努力做得更好。

其中一种解决方案是选用拥有极大表面积的材料,比如碳纳米管和石墨烯。这两者都由单层碳原子构成,目前容量最高的超级电容器正是由它们所制备。但是这两种材料本身价格昂贵,且在大规模应用需求的体积下制备困难。另一种电极制备材料是氧化还原活性分子,它们可以轻易地吸收和释放电子。但这些氧化还原活性材料也有一定的局限。一些分子在吸收、释放电子几个循环之后性能有所下降,另一些则因为多孔性太低,而不能制作超级电容器。

来自康奈尔大学的化学家威廉˙迪希特尔(WilliamDichtel)在两年前就发现共价有机框架材料(COF)在这方面有出色表现。迪希特尔及其同事们制备出首个具有氧化还原活性的COF,其由有机中间体2,6-二氨基蒽醌(DAAQ)和 1,3,5-三甲酰基间苯三酚(TFP)组合而成。迪希特尔的团队发现,在适当的条件下,DAAQ和FTP会自行组装为大的中空的六边形。而且,这些六边形彼此相接,如同浴室地板上的瓷砖。其他的六边形层状结构叠加在第一层表面,所有的中心孔规则排列。最终,这些材料成为了由六边形平铺堆叠而成的规则晶体,具有微孔透射结构,其表面积与活性炭相当。

鉴于氧化还原活性COF同样具有吸收电子的能力,它们有制备更优秀的超级电容器电极材料的潜力。据研究人员报道,今年早些时候,当他们在金电极表面生长COF薄片时,COF材料的比容量仅为160F/g左右,甚至不如现下最好的商业超级电容器。这是因为,尽管COF材料可快速充放电,而且每个六边形结构能捕获多达12个电子,但它本身的导电性能不佳。导电性能的缺乏意味着只要COF材料的厚度超过200nm,其上部的电子都没法到达电极。“我们没有办法让电荷从较厚的材料层中转移出来。”迪希科尔说道。

这一问题直到现在才有所突破。在本周举行的美国化学学会会议上,迪希特尔宣布他和他的团队已经克服了这一厚度限制障碍,方法是在厚厚的DAAQ-TFPCOF材料表面镀一层薄薄的导电聚合物——3,4-乙烯二氧噻吩,又称为PEDOT。结果表明,所有储存的电荷都可以迅速穿过PEDOT到达下面的金电极,其比容量达到 350F/g,高于市场中的任一超级电容器。这一数值仍然远低于报道过的基于碳纳米管的超级电容器设备的3300F/g的比容量,但是由于有机中间体易于获取,新的基于COF材料的超级电容器可能更易实现商业化。

“这玩意很赞,”来自哈佛大学的化学家乔治˙怀特塞兹(GeorgeWhitesides)表示。怀特塞兹提醒道,基于COF材料的超级电容器现在仍处于初级阶段,它们是否有足够的稳定性能应用到汽车上还有待证明。但是迪希特尔指出,这种材料已经经过数千次充放电循环,而没有显示出容量耗损的迹象。还有,迪希特尔补充说,还有许多可用于制备COF材料的氧化还原活性分子没有被开发,因此还有提高的空间。“这一切只是刚刚开始。”他谦虚地表示。但实际上他们已经做得非常好了。

 
关键词: 新能源车
 
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