日本科学家将掺硼纳米金刚石用作超级电容器电极 实现高储能设备

据外媒报道，现在，人们对由电池驱动的设备和电器的使用一直在稳步增长，同时也使得对安全、高效和高性能电源的需求在不断上涨。而一种称为超级电容器的电能存储设备最近开始被认为是一种实用、甚至更好的能量存储设备，可以代替目前广泛使用的锂离子电池等储能设备。超级电容器的充放电速度更快，能够持续工作的时间也更长，因而可用于车辆再生制动、可穿戴电子设备等各种应用。

（图片来源：东京理科大学）

不过，尽管超级电容器的潜力很大，目前仍有一些缺点阻碍其得到广泛应用。主要问题之一就是能量密度低，即单位面积空间所存储的能量不足。一开始，科学家们尝试利用有机溶剂作为超级电容器的电解液（作为传导介质）以解决该问题，提高产生的电压（注意，在能量存储设备中，电压的平方与能量密度成正比）。但是，有机溶剂很昂贵且导电率低。因此，科学家们认为，也许水电解质会更好。自此，研发配备水电解质的高效超级电容器元件成为了该领域的中心研究课题。最近取得研究突破的科学家Takeshi Kondo表示：“如果能够利用不易燃、无毒且安全的水电解质制成高性能的超级电容器，该超级电容器能够整合至可穿戴设备和其他设备，为物联网带来好处。”

Kondo博士与东京理科大学（Tokyo University of Science）团队以及日本化学公司Daicel Corporation合作，探索利用掺硼纳米金刚石（boron-doped nanodiamond）作为超级电容器电极的可能性，电极是电池或电容器中的导电材料，它将电解液与外部电线连接，将电流输送出系统。该研究团队选择该电极材料是基于这样一种认识，即掺硼金刚石具有宽电位窗，能够让高储能设备在长时间内保持稳定。Kondo博士表示：“我们认为，如果将导电金刚石用作电极材料，就可以让水基超级电容器产生大电压。”

科学家们采用了一种名为微波等离子体辅助化学气相沉积（MPCVD）的技术来制造此类电极，并通过测试验证性能。他们发现，在含有水硫酸电解液的双电极系统中，此类电极产生的电压比传统电池的高得多，因此超级电容器的能量和功率密度也会高得多。此外，他们还发现，即使经过1万次的充放电循环，该电极仍然非常稳定。

获得成功之后，科学家们接着探索，如果将电解液变成饱和高氯酸钠溶液，此种电极材料是否会拥有同样的性能。众所周知，饱和高氯酸钠溶液能够产生比传统硫酸电解液更高的电压。实际上，该装置已经产生了更高的电压。因此，正如Kondo博士所说：“掺硼纳米金刚石电极对于水基超级电容器非常有用，而此类超级电容器适合用作高速充放电的高储能设备。”

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