【原】电能源|在美能源部等支持下，伯克利实验室分子工厂开发出新淀积工艺，实现可替代锂电池的高能量密度超级电容器

美国加州伯克利实验室的分子工厂（Molecular Foundry）的团队研发的新型超级电容器，可提供超过现有任何系统的能量密度，可重复充放电，且因新的设计方法而非常稳定。

图为垂直对齐碳纳米管（VACNT）电极的扫描电子显微镜图像，这些碳纳米管涂覆有一次只淀积一层的二氧化钛。图中放大的图片展示了单个涂覆有二氧化钛的碳纳米管电极。（图片来源：伯克利实验室）

背景

传统的超级电容器具备比传统电容器存储更多电荷的能力，因此取名为“超级”，通过在其表面“物理性”地造出电荷来存储电荷。在另一方面，准电容器（pseudocapacitors）则通过氧化还原反应“化学性”地存储电荷，与电池类似。准电容器能够存储与部分电池同样多的电荷，电池充放电需要几个小时，准电容器则可工作得更快一些，从数十秒到几分钟。超级电容器通常具备高功率密度和长工作寿命，但受限于低能量密度。准电容器可存储更多能量，但应用受到其窄电化学电压窗口的限制。电化学电压窗口指的是电极材料稳定工作的电压范围。

研究基础

在此前的研究中，二氧化钛质量器、成本低，如用于锂基能量存储系统有很多潜在好处，但材料性能衰退速度快，且导电性相对较低。在垂直对齐碳纳米管（AVCNT）上涂覆纳米晶体二氧化钛能够形成高导电性、3D多孔网络，可改进导电性、增加表面积和稳定电化学反应。但现有制造这些为电容器的方法在均一化覆盖、污染和高有毒性上存在问题。

核心进展

来自加州大学伯克利分校的研究人员与分子工厂的原子层淀积（ALD）专家Adam Schwartzberg合作，研发出一个包含ALD和化学气相淀积（CVD）工艺的两步工艺，制造出带有涂层的VACNT电极，这些电极有精确定义的微结构。当与超高浓度锂离子电解液一同使用时，“混合”超级电容器的工作电压窗口是此前的3倍，可与有机电解液系统相比。

性能

新的超级电容器性能远超过此前的版本，几乎不会自己放电或短路，工作电压窗口是此前研究成果的3倍，有超过其他类似电容器的最高能量密度。更高电压和更高能量密度意味着电池能够取得更高的功率和更长工作寿命，成为锂离子电池有力的替代者。

意义

科学家将使用新的包含ALD和CLD的制造方法来涂覆二氧化钛或其他过渡金属材料到各种衬底上，这些涂层将为下一代能量存储系统带来更大优势。

资金支持

该研究的部分工作在分子工厂进行，该用户设施由美国能源部科学办公室、基础能源科学办公室提供支持，以及伯克利传感器和制动器中心、国家科学基金会/产业/大学研究合作中心提供部分资金支持。

参考文献

X. Zang, C. Shen, E. Kao, R. Warren, R. Zhang, K.S. Teh, J. Zhong, M. Wei, B. Li, Y. Chu, M. Sanghadasa, A. Schwartzberg, and L. Lin, “Titanium disulfide coated carbon nanotube hybrid electrodes enable high energy density symmetric pseudocapacitors .” Advanced Materials 30, 1704754 (2017). [DOI: 10.1002/adma.201704754]