12月6日消息，據(jù)日本東京理科大學(xué)官網(wǎng)近日報道，該?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在水基電池中采用導(dǎo)電納米金剛石作為電極材料，可顯著提升電池的能量存儲能力。如今，超級電容（Supercapacitor）作為一種節(jié)能環(huán)保的新型儲能元件引起了人們的廣泛關(guān)注。

配備超級電容的豐田混合動力賽車TS040（圖片來源：維基百科）

超級電容，又名電化學(xué)電容，雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是從上世紀七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學(xué)元件。超級電容具有一個正極和一個負極，兩個電極之間有一層隔膜，在正負極和隔膜之間以電解液填充，多孔化的電極具有更大的表面積去吸附電解液的電荷，因此容量可以達到很大。由于儲能的過程中沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以這種電容充放電可多達數(shù)十萬次。

超級電容的原理示意圖（圖片來源：維基百科）

超級電容具有成本低、耐低溫、功率密度高、充電速度快、使用壽命長、環(huán)境友好等優(yōu)勢。因此，超級電容可應(yīng)用于一系列領(lǐng)域，例如汽車、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療、備用電源、機械裝置、智能儀表等。

打印在紡織品上的石墨烯超級電容（圖片來源：曼徹斯特大學(xué)）

如今，作為一種安全、高效、高性能的儲能裝置，超級電容已經(jīng)開始取代傳統(tǒng)電池，例如鋰離子電池?？墒牵壳八軌虼鎯Φ哪芰勘壤硐胫档囊俚枚?。

為了解決這個問題，TakeshiKondo博士領(lǐng)導(dǎo)的東京理科大學(xué)以及Daicel株式會社的課題組，提議采用導(dǎo)電納米金剛石作為電極材料，制成一種高性能的能量存儲設(shè)備（超級電容）。該設(shè)備適用于長時間內(nèi)多次快速充放電的應(yīng)用。在這一次創(chuàng)新中，金剛石又一次閃耀著光芒，脫穎而出。

（圖片來源：日本東京理科大學(xué)）

這一突破性研究發(fā)表在《科學(xué)報告（ScientificReports）》期刊上。Kondo博士表示：“如果我們可以創(chuàng)造出一款采用不易燃、無毒性、安全的水系電解液的高性能超級電容，那么它就可以整合到可穿戴設(shè)備及其他設(shè)備中，掀起物聯(lián)網(wǎng)的新一波浪潮?！?/p>

目前，雖然超級電容潛力巨大，但某些缺陷也在阻礙它們廣泛使用。其中一個主要問題就是，能量密度低。也就是說，單位體積內(nèi)包含的能量不足。為解決上述問題，科學(xué)家們首先嘗試采用有機溶劑作為超級電容內(nèi)的電解質(zhì)（導(dǎo)電媒介），以提升生成的電壓（請注意電壓的平方與能量存儲設(shè)備中的能量密度直接成比例）。但是，有機溶劑非常昂貴且導(dǎo)電性差。所以，科學(xué)家們考慮，也許水系電解液會更好。

因此，開發(fā)可通過水系電解液起作用的超級電容元件成為了這一領(lǐng)域的中心研究課題。

Kondo領(lǐng)導(dǎo)的課題組，探索采用一種新型材料（摻雜硼的納米金剛石）作為超級電容的電極。電極是電池或者電容中的一種導(dǎo)電材料，它將電解質(zhì)與外部電線連接起來，將電流傳輸?shù)较到y(tǒng)之外。該課題組選擇這種電極材料，是因為他們認識到摻雜硼的納米金剛石的電位窗口寬，這一特點保證了可長時間穩(wěn)定工作的高能存儲設(shè)備。Kondo博士表示：“我們考慮如果采用導(dǎo)電金剛石作為電極材料，就可以實現(xiàn)生成大電壓的水基超級電容?！?/p>

科學(xué)家們采用一項稱為“微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積（MPCVD）”的技術(shù)來制造這些電極，并通過測試其特性來檢測其性能。他們發(fā)現(xiàn)，在具有含水硫酸電解液的基本雙電極系統(tǒng)中，這些電極產(chǎn)生的電壓比傳統(tǒng)電池高得多，使得超級電容的能量和功率密度都變得高得多。進一步說，他們發(fā)現(xiàn)，即使在1萬次充放電循環(huán)之后，電極仍然保持非常穩(wěn)定。摻雜硼的納米金剛石已經(jīng)證明了它的價值。

取得這一成就之后，科學(xué)家們開始大膽探索，如果電解質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡偷母呗人徕c溶液（該溶液能比傳統(tǒng)的硫酸電解液生成更高的電壓）時，這種電極材料是否會產(chǎn)生同樣的結(jié)果。實際上，在這一配置中，生成的電壓大大提升。

因此，正如Kondo博士所說：“摻雜硼的納米金剛石電極適用于水系超級電容，它適用于高速充放電的高能存儲設(shè)備?！?/p>