秒充秒放——未来的“超级电容”
高性能的超级电容器电极的示意图。(左：场发射扫描电子显微镜和透射电子显微镜得到的显微图像。右：纳米结构的部分示意图。）
来自印度S.N. Bose国家基础科学研究中心的两位学者研发出了一种具有复合纳米结构的新型超级电容器，其拥有比现有的非复合超级电容器电极更优越的性能。由于氧化镍和氧化铁都是性价比很高的环保材料，因此满足绿色低成本超级电容的要求。
近些年超级电容器作为一种性质优良的新型储能设备吸引了众多关注。它具有超高的充放电的速率、优良的稳定性、使用寿命长并且能量密度高的特点。想象一下你能在几秒钟之内给你的手机充满电，甚至在几分钟之内将电动汽车充满电的场景，超级电容器在不远的将来就能把它变成现实。
尽管超级电容器有着比传统电池更快的充电速度、更强的续航能力，但是未来很丰满，现实很骨感，超级电容器所占用的体积以及重量比相同容量的电池要大得多。因此，很多科学家都致力于研发绿色低成本的高性能轻质超级电容器。
来自印度S.N. Bose国家基础科学研究中心的两位学者研发出了一种具有复合纳米结构的新型超级电容器，该电容器的外壳层是由氧化镍与氧化铁复合而成的，内部包裹着导电性良好的铁镍合金。
在这周美国物理学会出版社的期刊《应用物理杂志》中报道了上述复合纳米电极的合成方法。他们还证明其拥有比现有的非复合超级电容器电极更优越的性能。由于氧化镍和氧化铁都是性价比很高的环保材料，因此满足绿色低成本超级电容的要求。
“复合电极表现出了优异的电化学性质，它的电容量(即储存电能的能力)达1415法拉每克，能量密度高达2.5安培每克，它的电阻很小，功率密度非常高，” S.N. Bose国家基础科学研究中心凝聚态物理和材料科学系的首席科学家，Ashutosh K. Singh这样说道。“它同样具有长期的循环稳定性，换句话说，在经过3000次充放电后，该电极仍能保持原始容量的95%。”
超级电容器的优点
超级电容器是用于存储大量电能的电子设备。它们也被称为电化学电容器,具有高功率密度、高充放电速率,循环稳定性好和高能量密度的特点。
在储能设备中，单位质量中蕴含的电能被称为“能量密度”,而“功率密度”是指能量传递的速率。传统电容器的功率密度很高，但是能量密度低，这意味着它们能快速的进行充放电，但是能储存的电能并不多。
传统电池在这方面与传统电容器的表现正好相反。电池有较高的能量密度，可以储存大量的电能，但是它的充放电时间可能要用几个小时。超级电容器就像是传统电池和传统电容器的结合，拥有它们两者大功率，高能量密度和低电阻的优点，因此超级电容器有望取代电池成为电子设备和便携式电源高效、可靠甚至更安全的动力源。
在超级电容器中，高电容，即储存电荷的能力，是实现高能量密度的关键。同时，为了实现高功率密度，具有较大的电化学可接触表面积、高电导率和较短的离子扩散路径至关重要。纳米结构的活性材料则能满足以上这些要求。
科学家们是怎样合成新电极的
受先前通过掺杂不同金属氧化物材料以提高导电率研究的启发，Singh和他的同事Kalyan Mandal教授将氧化镍和氧化铁制成了复合材料，并制造特殊的核壳纳米结构电极。
“通过改变使用的材料和电极的形态，我们就能得到不同性能、不同质量的超级电容器。” Singh告诉我们。
在Singh的实验中，核壳复合纳米结构的合成需要以下两个步骤。首先，通过标准电沉积技术，研究人员先在阳极化氧化铝基底的空穴里制备出多组铁镍纳米线，然后溶解掉基底获得复合纳米线。之后，研究人员将这些纳米线在450℃的氧气环境中放置极短的时间，最后得到高孔隙度的氧化镍氧化铁复合电极壳以及内部的铁镍合金核。
“这种核壳复合纳米结构的优点是高孔隙度的壳纳米层为氧化还原反应提供了非常大的表面积，并且缩短了离子扩散的距离，” Singh说。他解释道：超级电容器是通过氧化还原反应来储存电荷的，这就涉及到一种材料给予电子，离子通过电解质和电极在两极间转移的过程。氧化还原反应的表面积越大，超级电容器的功率密度就会越大。
Singh补充道：“导电铁镍核为电子到达集电器提供了高速通道，这将改善电极的电导率及其他电化学性能，能够满足高性能超级电容器的要求。”
新电极的表现
通过循环伏安法和恒流充放电法，Singh和Mandal研究了这种复合材料电极的电化学性能。实验设置了一个没有纳米结构的电极，比如镍/氧化镍电极和铁/氧化铁电极，结果表明，复合结构电极具有更高的电容，更高的能量密度和更多的充放电次数。
“具体来讲，复合材料电极的能量密度分别是镍/氧化镍和铁/氧化铁电极的3倍和24倍，” Singh这样说。“实验对比结果表明将镍/氧化镍电极与铁/氧化铁电极组合起来之后，得到具有更好电化学性能的电极，这表明复合电极能提升超级电容器的性能。”
Singh的合成方法有一个特点，它不需要额外的粘合剂材料。根据Singh所说，粘合剂通常会用于碳或石墨烯超级电容器的合成中，它的作用是将参加氧化还原反应的物质粘在电极表面。不考虑粘合剂的质量，这种复合电极很适合制备轻质超级电容器。
Singh说：“卓越的电化学性能和材料特性表明，氧化铁-氧化镍的核壳纳米结构电极很适合用来制备轻质、低成本和环保的超级电容器电极，具备现实应用的可能。”
研究人员下一步的计划是在复合电极的基础上制备完整的超级电容器设备，并测试其功能表现。我们向超级电容器的工业生产又近了一步。
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