12月6日消息，據(jù)日本東京理科大學(xué)官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校科學(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(chǔ)能力。如今，超級(jí)電容（Supercapacitor）作為一種節(jié)能環(huán)保的新型儲(chǔ)能元件引起了人們的廣泛關(guān)注。

配備超級(jí)電容的豐田混合動(dòng)力賽車(chē)TS040（圖片來(lái)源：維基百科）

超級(jí)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(jì)七、八十年代發(fā)展起來(lái)的通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件。超級(jí)電容具有一個(gè)正極和一個(gè)負(fù)極，兩個(gè)電極之間有一層隔膜，在正負(fù)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(dá)到很大。由于儲(chǔ)能的過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以這種電容充放電可多達(dá)數(shù)十萬(wàn)次。

超級(jí)電容的原理示意圖（圖片來(lái)源：維基百科）

超級(jí)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(zhǎng)、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。因此，超級(jí)電容可應(yīng)用于一系列領(lǐng)域，例如汽車(chē)、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療、備用電源、機(jī)械裝置、智能儀表等。

打印在紡織品上的石墨烯超級(jí)電容（圖片來(lái)源：曼徹斯特大學(xué)）

如今，作為一種安全、高效、高性能的儲(chǔ)能裝置，超級(jí)電容已經(jīng)開(kāi)始取代傳統(tǒng)電池，例如鋰離子電池。可是，目前它能夠存儲(chǔ)的能量比理想值的要少得多。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，TakeshiKondo博士領(lǐng)導(dǎo)的東京理科大學(xué)以及Daicel株式會(huì)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(chǔ)設(shè)備（超級(jí)電容）。該設(shè)備適用于長(zhǎng)時(shí)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(lái)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(bào)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(wú)毒性、安全的水系電解液的高性能超級(jí)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(jí)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(gè)主要問(wèn)題就是，能量密度低。也就是說(shuō)，單位體積內(nèi)包含的能量不足。為解決上述問(wèn)題，科學(xué)家們首先嘗試采用有機(jī)溶劑作為超級(jí)電容內(nèi)的電解質(zhì)（導(dǎo)電媒介），以提升生成的電壓（請(qǐng)注意電壓的平方與能量存儲(chǔ)設(shè)備中的能量密度直接成比例）。但是，有機(jī)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(huì)更好。

因此，開(kāi)發(fā)可通過(guò)水系電解液起作用的超級(jí)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(jí)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(lái)，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?yàn)樗麄冋J(rèn)識(shí)到摻雜硼的納米金剛石的電位窗口寬，這一特點(diǎn)保證了可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的高能存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)生成大電壓的水基超級(jí)電容?！?/p>

科學(xué)家們采用一項(xiàng)稱(chēng)為“微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積（MPCVD）”的技術(shù)來(lái)制造這些電極，并通過(guò)測(cè)試其特性來(lái)檢測(cè)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(jí)電容的能量和功率密度都變得高得多。進(jìn)一步說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)，即使在1萬(wàn)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(jià)值。

取得這一成就之后，科學(xué)家們開(kāi)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(shí)，這種電極材料是否會(huì)產(chǎn)生同樣的結(jié)果。實(shí)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(shuō)：“摻雜硼的納米金剛石電極適用于水系超級(jí)電容，它適用于高速充放電的高能存儲(chǔ)設(shè)備?！?/p>