华东理工和牛津大学开发氯气电极 为超级电容器提供高功率和能量密度

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超级电容器是与可充电电池互补的储能设备，甚至可以部分取代电池。目前，受能量密度的影响，超级电容器的运行时间不长。据外媒报道，研究团队开发了一种新方法，可以制造带有“呼吸”电极的超级电容器。研究人员解释称，这是从蜥蜴汲取的灵感，蜥蜴潜入水下时会带着气泡呼吸。

（图片来源：onlinelibrary.wiley.com）

利用制动能量充电的超级电容器，有利于现代有轨电车和公共汽车节省电力。与可充电电池相比，超级电容器是储能“短跑选手”，可以在极短的时间内产生非常大的电流（高功率密度）；但不是良好的“长跑选手”，因为即使用电量低，也不会持续很长时间（能量密度低）。现代电能存储设备需要同时具有这两种特性，并且重量轻。然而，目前提高能量密度的方法总是以功率密度为代价，这是超级电容器发展的绊脚石。

由华东理工大学和牛津大学研究人员组成的团队着手克服这一挑战。其灵感来自于一只小蜥蜴。安乐蜥属蜥蜴（Anolis lizard）生活在陆地上，但潜水寻找食物时也能在水下呼吸。为了做到这一点，蜥蜴头上的一层鳞片上附着一个气泡。新开发的电极由多孔碳材料制成（直径约3纳米的多孔碳纳米管最合适）。这种材料浸没在食盐溶液中作为电解质时，也可以附着一层气体。然而，使用的气体不是空气，而是氯气。

在超级电容器的充、放电过程中，除了通常的电荷分离，该电极还会发生氧化还原反应。充电时，电极将电子转移到氯气中，将氯还原为氯离子，进入溶液，这是电极“呼气”；放电时，氯离子被氧化回氯气，使气体返回电极的孔隙，这是电极在“吸气”。

该团队使用多种分析方法，证明了电极中没有氯气逸出。气体薄层中的快速还原/氧化和快速传质（rapid mass transfer），极大地提高了超级电容器的能量密度，同时保持极高的功率密度。即使经过数千次循环，仍可保持同等高容量水平。