混乱即美: 电池类设备的无序结构提高性能

副标题：混乱结构提高电池式设备性能

研究人员发现，增加超级电容器内部结构的"混乱程度"可以提高其能量密度。剑桥大学领导的研究团队使用实验和计算建模技术研究了超级电容器中使用的多孔碳电极。他们发现，具有更为无序化化学结构的电极存储的能量远远多于具有高度有序结构的电极。

超级电容器是能源转型的关键技术，并且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非常有用，但它们的采用受到能量密度较低的限制。

这项研究成果发表在《科学》杂志上，研究人员表示，这一突破性发现可能会重新激发这一重要零排放技术的发展。

超级电容器类似于电池，但超级电容器可以在几秒钟或几分钟内充电，而电池需要更长的时间。超级电容器比电池耐用得多，可以持续数百万次充电循环。然而，超级电容器的能量密度较低使其不适合用于长期储能或持续供电。

"超级电容器是电池的补充技术，而不是替代品，"来自剑桥大学Yusuf Hamied化学系的Alex Forse博士表示。"它们的耐用性和极快的充电能力使它们对广泛的应用有益。”

例如，由超级电容器驱动的公交车、火车或地铁可以在下客上客的时间内充满电，从而为其提供足够的动力到达下一个站点。这将消除沿线安装任何充电基础设施的需求。然而，在超级电容器被广泛使用之前，它们的能量存储能力需要得到改善。

与电池利用化学反应储存和释放电荷不同，超级电容器依赖于带电分子在多孔碳电极之间的移动，这些电极具有高度无序的结构。"想象一张石墨烯片，它具有高度有序的化学结构，"Forse说道。“如果你把那张石墨烯片揉成一个球，你就会得到一个无序混乱的东西，这有点像超级电容器中的电极。”

由于电极的固有混乱性，科学家们一直很难研究它们并确定在试图改进性能时哪些参数最重要。这种缺乏明确共识导致该领域有些陷入僵局。

许多科学家认为，碳电极中微小孔或纳米孔的尺寸是改善能量容量的关键。然而，剑桥团队分析了一系列商业可用的纳米多孔碳电极，发现孔径大小与存储容量之间没有联系。

Forse和他的同事采取了一种新方法，使用核磁共振（NMR）光谱学——一种类似于电池的MRI技术——来研究电极材料。他们发现，材料的混乱程度——长期以来被认为是一种阻碍——实际上是它们成功的关键。

"利用NMR光谱学，我们发现能量存储容量与材料的无序程度相关联——混乱程度更高的材料能够存储更多能量，"第一作者刘新宇，一个由Forse和格雷爵士教授共同指导的博士生表示。“混乱是一种很难测量的特性——这仅仅得益于新的NMR和模拟技术，这就是为什么混乱是在这一领域被忽视的一个特性。”

在用NMR光谱学分析电极材料时，会产生一个具有不同峰和谷的光谱。峰的位置表明碳的有序或无序程度。“我们并不是打算寻找这个，这是一个大惊喜，”Forse说道。“当我们将峰的位置与能量容量进行比较时，一个引人注目的相关性出现了——最混乱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？Forse表示这是团队正在研究的下一个问题。更为混乱的碳在其纳米孔中更有效地储存离子，团队希望利用这些结果设计更好的超级电容器。材料的混乱程度在合成时确定。

"我们希望研究制造这些材料的新方法，看看混乱程度在改善能量存储方面能够走多远，"Forse说道。“这可能是该领域的一个转折点，这个领域有些陷入僵局。Clare和我十多年前开始研究这个课题，看到我们以前的基础工作如今有了明确的应用，真是令人兴奋。”

该研究得到了剑桥信托基金会、欧洲研究理事会和英国研究与创新（UKRI）的部分支持。