格拉茨技术大学新发现助力开发环保型超级电容器

与电池类似，超级电容器适用于重复储存电能。据外媒报道，格拉茨技术大学（Tu Graz）的研究人员提出一种特别安全的可持续性超级电容器。

 （图片来源：techxplore）

目前，锂离子电池技术的主要缺点在于缺乏安全性、可持续性和可回收性，以及原材料（例如钴）供应有限。在寻找替代电化学储能系统用于电动出行和存储可再生能源的过程中，将电池和电容器组合在一起构成的“混合超级电容器”前景颇佳。它的充放电速度与电容器一样快，并且几乎可以储存与传统电池一样多的能量。与传统电池相比，它可以更快、更频繁地充放电，锂离子电池的使用寿命只有几千次，而超级电容器的充电周期约为100万次。 

这种混合超级电容器的可持续性高，由碳和碘化钠电解液组成，并带有正极电池电极和负极超级电容器电极，但是此前并未得到充分开发。格拉茨技术大学的研究人员进行了更为详细的研究，探讨这种超级电容器的电化学储能工作原理，以及碳电极的纳米级孔隙中发生的具体情况。主要研究人员Christian Prehal表示：“我们研究的系统由纳米多孔碳电极和碘化钠电解液组成，也就是盐水。因此，该系统特别环保、成本效益高、不可燃且易于回收。” 

借助于小角度X射线散射和拉曼光谱，研究人员首次证明，充电时电池电极的碳纳米孔中形成固体碘纳米颗粒，这些颗粒在放电时再次溶解。Christian Prehal表示：“纳米孔中固体碘的填充程度决定了电极中可以存储多少能量。碘碳电极将所有的化学能储存在固体碘粒子中，因此其储能能力可以达到非常高的水平。”这项新基础知识为开发混合超级电容器或电池电极开辟了道路，使其具有无与伦比的高能量密度和极快的充放电过程。在过去几年中，研究人员Qamar Abbas已成功对这种混合电容器进行研究和进一步开发。 

经过有针对性的改进，现在混合超级电容器可以作为一种固定电能储存替代方案使用，而且安全、不易燃、成本低和可持续。例如，对于私人家庭的光伏电池储能而言，这是很有吸引力的选择。 

在拉曼光谱中，研究人员利用光与物质相互作用来观测材料的结构或性质。通过小角度X射线散射（SAXS），可以观察到电化学反应中的结构变化。这两种方法都是现场原位操作，即在专门开发的电化学电池的充放电过程中进行现场操作。 

Prehal表示：“在电子显微镜和纳米分析研究所（FELMI）和格拉茨技术大学软物质应用实验室，首次在具有NaI电解液的混合超级电容器上进行现场原位拉曼光谱和现场原位SAXS。为了研究现场原位SAXS，我们开发了一种用于电池和电化学储能装置的特殊测量电池。”研究结果表明，现场原位SAXS非常适合在纳米尺度上跟踪超级电容器或电池的结构变化，并且可以在充放电过程中直接操作。因此，这种新的研究方法在电化学储能领域具有广阔的应用前景。