為了開(kāi)發(fā)新一代電動(dòng)汽車、太陽(yáng)能系統(tǒng)和其他清潔能源技術(shù)，研究人員需要一種有效的途徑來(lái)存儲(chǔ)能量。有一種關(guān)鍵的能量存儲(chǔ)設(shè)備適用于這些應(yīng)用和其他應(yīng)用，就是超級(jí)電容器，也稱為電雙層電容器(electricdouble-layercapacitor)。

獨(dú)特的三維陣列納米孔刻在沸石礦模板炭中，使它能夠用作電極，以制備高性能超級(jí)電容器，這種電容器具有高容量和快速充電時(shí)間。

在最近的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家們已經(jīng)考察了可能使用的一種材料，這種材料叫做沸石礦模板碳(zeolite-templatedcarbon)，可作為電極，用于這種類型的電容器，他們發(fā)現(xiàn)，這種材料獨(dú)特的孔狀結(jié)構(gòu)大大提高了電容器的整體性能。

研究人員博之福華(HiroyukiItoi)，西原博友(HirotomoNishihara)，太極小暮(TaichiKogure)，京谷隆(TakashiKyotani)來(lái)自日本仙臺(tái)(Sendai)東北大學(xué)(TohokuUniversity)，他們已經(jīng)發(fā)表的成果就是研究高性能電雙層電容器，發(fā)表在最近一期的美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志(JournaloftheAmericanChemicalSociety)。

為了儲(chǔ)存能量，電雙層電容器充電要使用離子，這些離子從本體溶液(bulksolution)遷移到電極，在那里它們被吸附。在到達(dá)電極表面之前，這些離子必須穿過(guò)狹窄的納米孔，而且要盡可能快速高效。基本上可以說(shuō)，離子穿過(guò)這些路徑越快，電容器充電就越快，就會(huì)帶來(lái)高速度性能。此外，電極吸附離子密度越大，電容器可以存儲(chǔ)的電荷量就越大，就會(huì)帶來(lái)高容量電容。

最近，科學(xué)家們一直在測(cè)試材料，他們使這些孔具有各種不同的大小和結(jié)構(gòu)，努力實(shí)現(xiàn)既有快速的離子傳輸，又有很高的吸附離子密度。但是這兩個(gè)要求是有點(diǎn)矛盾的，因?yàn)殡x子穿過(guò)較大的納米孔會(huì)更迅速，但大納米孔會(huì)使電極密度低，從而降低吸附離子密度。

“在這項(xiàng)工作中，我們成功地表明，有可能滿足這兩個(gè)看似矛盾的要求，就是滿足高功率密度和高容量電容，采用沸石礦模板炭就可以，”西原對(duì)物理學(xué)家組織網(wǎng)站說(shuō)。

這種沸石礦模板炭包含的納米孔直徑是1.2納米，小于大多數(shù)電極材料，而且有一種非常有序的結(jié)構(gòu)，而其他的孔可能就是無(wú)序的和隨機(jī)的。這種納米孔的小尺寸就使得吸附離子密度很高，而這種有序的結(jié)構(gòu)被描述為鉆石般的框架，就使離子可以快速穿過(guò)納米孔。在先前的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，沸石礦模板炭上面的納米孔小于1.2納米，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速離子傳輸，這表明這一尺度可提供最佳平衡，就是平衡高速性能與高容量電容。

在測(cè)試中，沸石礦模板炭的性能超過(guò)了其他材料，表明它可被用作一種電極，用于高性能電雙層電容器。

“我們現(xiàn)在正在試圖進(jìn)一步提高沸石礦模板炭的能量密度，使它達(dá)到和充電電池相同的水平，”西原說(shuō)。“如果這樣的電雙層電容器被開(kāi)發(fā)出來(lái)，用于移動(dòng)設(shè)備比如手機(jī)，充電時(shí)間就可縮短到只有幾分鐘。還有另一個(gè)重要的應(yīng)用前景，就是電雙層電容器可以支持電動(dòng)汽車的充電電池，延長(zhǎng)電池使用壽命。也為了這種目的，實(shí)現(xiàn)更高的能量密度就是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。”