新多孔聚合物是一種威力強大的超級電容

2011/09/03 |

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對未來的電動車、強大的筆電以及其他可攜式裝置而言，我們需要新一代能源儲存材料，那比當前的可充電式電池更適合現代的需求。已知符合此需求的最佳材料是超級電容（supercapacitors）。一個由日本岡崎市，自然科學研究機構（National Institutes of Natural Sciences，NINS）的 Dinglin Jiang 所領導的團隊，現在在 Angewandte Chemie 期刊中介紹一種新材料，具優異的超級電容特性。

零排放的電動車適合在市內到處開；然而，對於長途駕駛來說，事情並非如此。問題根源於只能儲存少量的能源，在需要重新充電之前所能涵蓋的（行駛）距離不遠，那限制車輛的速度與加速。超級電容能夠克服這些挑戰，因為它們結合早期電容器與電池的優點：如同一個電容器，它們能依需傳遞高電流密度，又像個電池可儲存大量電能。

超級電容的運作時是透過一種與可充電式電池不一樣的電荷儲存原理，以及電極上之電化學雙層的組成，電極則被電解質浸濕。當施加一電壓時，電荷相反的離子聚集在電極二端，形成非常薄的（wafer-thin）固定化電荷載體區（zones of immobilized charge carriers）。相較於電池，那只有電荷的移動，並沒有發生化學變化。適合超級電容的材料百百種，不過真正完美的材料目前仍未被發現。在日本的研究者，沿著這條路線，到達一個重要的里程碑。

這裡有種材料，具有趣的特性：特殊的多孔、如框架般的有機聚合物。它們的雙鍵以某種方式排列，使得它們的某些電子能自由地移動，如『電子雲』般延伸到超過框架之外的區域。這樣的材料因而能導電。在孔內，有大的內表面積（inner surface area）對於靜電電荷分離層（electrostatic charge-separation layers）的形成很重要。Jiang 以及他的團隊現在合成出一種包含氮的框架，其孔的的大小最適合讓離子快速流進流出 — 此為迅速充、放電所需。氮中心與電解質離子進行交互作用，因而有利於電荷的累積與離子的移動。

這些互異有利特性之間的相互作用，使這種新材料具有不尋常的高電荷儲存能力以及高能量密度。Jiang 及其共同研究者能夠證明，他們的多孔框架能承受許多次充／放電循環。

資料來源：New rechargeable batteries needed: A microporous polymer is an unusually powerful supercapacitor [August 23, 2011]

原發表於 Only Perception