混乱是最好的电池类设备的无序结构可以提高性能

由剑桥大学领导的研究人员使用实验和计算机建模技术来研究超级电容器中使用的多孔碳电极。他们发现，具有更无序化学结构的电极比具有高度有序结构的电极储存更多的能量。

超级电容器是能源转型的关键技术。它们可能对某些形式的公共交通以及管理间歇性太阳能和风能发电有用，但它们的采用因能量密度差而受到限制。

研究人员表示，他们在《科学》杂志上发表的研究结果代表了该领域的突破，并可能重振这一重要的净零技术的发展。

与电池一样，超级电容器也可以储存能量，但超级电容器可以在几秒或几分钟内充电，而电池则需要更长的时间。超级电容器比电池耐用得多，可以持续数百万次充电周期。然而，超级电容器的能量密度较低，使其不适合提供长期储能或连续供电。

“超级电容器是电池的补充技术，而不是替代品，”领导这项研究的剑桥大学YusufHamied化学系的AlexForse博士说。“它们的耐用性和极快的充电能力使其可用于广泛的应用。”

例如，由超级电容器供电的公共汽车、火车或地铁可以在乘客上下车时充满电，从而提供足够的电力到达下一站。这将消除沿线安装任何充电基础设施的需要。然而，在超级电容器广泛使用之前，其储能能力还需要提高。

电池利用化学反应来存储和释放电荷，而超级电容器则依赖于多孔碳电极之间带电分子的运动，而多孔碳电极具有高度无序的结构。“想象一下石墨烯片，它具有高度有序的化学结构，”福斯说。“如果你把那片石墨烯揉成一个球，你就会得到一个无序的混乱，这有点像超级电容器中的电极。”

由于电极固有的混乱性，科学家们很难研究它们并确定在尝试提高性能时哪些参数是最重要的。由于缺乏明确的共识，该领域陷入了困境。

许多科学家认为碳电极中微小孔或纳米孔的尺寸是提高能量容量的关键。然而，剑桥团队分析了一系列市售的纳米多孔碳电极，发现孔径和存储容量之间没有联系。

Forse和他的同事采用了一种新方法，使用核磁共振(NMR)光谱(一种电池的“MRI”)来研究电极材料。他们发现，材料的混乱——长期以来被认为是一种障碍——却是他们成功的关键。

“利用核磁共振波谱，我们发现能量存储能力与材料的无序程度相关——无序程度越高的材料可以存储更多的能量，”福斯和克莱尔·格雷教授共同指导的博士研究生、第一作者刘新宇说。“混乱度很难测量——只有借助新的核磁共振和模拟技术，才有可能测量，这就是为什么混乱度是这个领域被忽视的一个特征。”

当用核磁共振波谱分析电极材料时，会产生具有不同峰和谷的谱。峰的位置表明碳的有序或无序程度。“我们本来没有计划寻找这个，但这是一个很大的惊喜，”福斯说。“当我们绘制峰值位置与能量容量的关系时，发现了惊人的相关性——最无序的材料的容量几乎是最有序材料的两倍。”

那么为什么混乱是好的呢?福斯表示，这是团队接下来要做的事情。无序程度更高的碳可以更有效地在纳米孔中存储离子，该团队希望利用这些结果来设计更好的超级电容器。材料的混乱程度在合成时就已确定。

福斯说：“我们希望寻找制造这些材料的新方法，看看混乱能在改善能量存储方面发挥多大作用。”“对于一个陷入困境一段时间的领域来说，这可能是一个转折点。克莱尔和我十多年前就开始研究这个主题，很高兴看到我们之前的许多基础工作现在有了明确的应用。”