新型电容材料在特斯拉中储存更多的电量
将来你买电动汽车的时候可能就会有一个额外的储电设备。近日，研究人员开发出一种新型电容材料，该电容材料可以储存大量的电，同时也实现了瞬时充放电功能。此外，由于该电容材料的原材料已经实现其商业化，成本较低，因此可能比目前正待开发中的其他材料更实用。最终，汽车制造商可以制造出能快速充电的行驶里程最多的电动汽车。
这种新材料称为共价有机框架(COF)，是一种高度多孔晶体，它可以用来制造储存电能的装置（超级电容器），该电容器广泛应用于汽车、电脑等领域。在其最简单的形式中，超级电容器是由简单隔开的两个金属电极和导电液体（或电解质）构成的。充电时，电容器在两个电极之间释放电压，导致电荷相反的离子附着到电极表面，即使电压作用消失。放电时，电极从带负电荷的电极移动到带正电荷的电极上。
作为超级电容器，其电荷的转移很快，充、放电的速度以秒为单位，而传统电池的充电则需要数个小时。理想状态下，该电容器可以应用于诸如电动汽车再生制动系统中，使用制动能量来产生电流并实现电流的即时存储。
麻烦的是，由于表面积的限制，超级电容器的容量是有限的，远远低于当电池以卷的形式进行储电的电容量。公司曾经试图增加电极的表面积，例如将多孔导电材料（如目前市场上占主导地位的活性炭）应用于电容器中。但是，他们总是希望做得更好。
解决有限电容的一个方案是制备表面积非常高的材料，如碳纳米管和石墨烯。这两种物质是由单层碳原子构成，已经用于制造高容量的超级电容器。但这两种材料本身十分昂贵，生产相对困难，实现大规模应用不大容易。另一种氧化还原-活化分子，该分子容易吸收电子，然后释放电子。但氧化还原-活化分子材料有自己的不足。在经过一些电子周期之后，材料本身就会遭到破坏，其他材料则无法制作多孔的超级电容器。
康奈尔大学的化学家William Dichtel在2年前就得出结论，使用COF材料作为超级电容器会获得满意的结果。Dichtel和同事利用有机物质(DAAQ)和(TFP)进行组装，首次制备出COF材料。在合适的条件下，Dichtel研究小组发现，DAAQ和TFP自组装可形成大型六角环单洞中心。更重要的是，六边形可以像浴室的瓷砖一样连接在一起。多余的表面以洞排列的形式置于顶层。最终，材料成为一种常规的晶体形式，该晶体具有多层六边形的表面，并贯穿细小的孔，类似于活性炭的表面积。
因为氧化还原-活化COF材料可以吸收电子，因此可以利用这种材料制备出更好的超级电容器电极。今年早些时候，研究人员在金电极上生成COF薄片材料，该COF可以储存160法拉每克(F / g)的电量。但是，要想成为最好的商业超级电容器，COF本身需要导电。虽然它能快速进行充放电，且拥有每个六边形中12个电子的优势，但是电导率的缺乏意味着COF材料一旦超过200纳米厚就无法作为电极使用了。“厚薄膜是没有办法充电的。“Dichtel说。
现在，在本周的美国化学学会会议上，Dichtel指出他和团队成员克服了薄膜厚度的障碍，通过在厚的DAAQ-TFTCOF材料上涂敷一层薄薄的导电聚合物聚PEDOT，实现了这一目标。测试结果表明，储存的所有电量都可以通过PEDOT 传导到底层的金电极上，电容量为350 F / g，是当今市场上超级电容器中电容最高的一种，但仍远低于碳纳米管设备报道的3300 F / g的电容。不过，由于有机物质是现成的，新型COF基超级电容器的市场化会更容易一些。
哈佛大学的化学家George Whitesides教授说，该新型材料非常整洁，但对于COF基超级电容器来说现在仍处于早期研究阶段，因为必须存在足够的证据表明它可以应用于汽车等领域。但Dichtel指出，该新型材料可以经受成千上万次的充放电循环，且没有任何退化的迹象。同时他指出，还有很多其他的氧化还原-活性分子可以用来制作COF材料，并且可能性能更好，目前关于COF的研究只是处于起始阶段。”但是，不管怎麽说，他们已经做的足够好了。
现货资源
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|---|---|---|---|---|---|---|
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