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美用黏土開發高溫超級電容器幾秒充電瞬間放電

據物理學家組織網9月3日報道，美國萊斯大學科學家用黏土和一種電解液混合，開發出既能當電解液又能當隔離板使用的“復合板”，可作為新型高溫超級電容器。相關論文在線發表于9月3日的《自然·科學報告》上。

“多年來，研究人員一直想造出像電池和超級電容器這樣能在高溫環境下穩定工作的能源存儲設備，但由于傳統材料本身性質的制約，一直未能攻克難題。”萊斯大學材料科學家帕里柯·阿加恩說，“我們的革新是找到了一種能在高溫下保持穩定的、非傳統的電解質/隔離板系統。”

他們研究了歐洲和奧地利科學家于2009年開發的一種室溫離子液（RTILs）。RTILs在室溫下導電性較低，但加熱后黏度會降低而導電性提高。黏土具有很高的熱穩定性、吸附能力和滲透性，活性表面積也很大。研究人員把RTILs和自然界的斑脫土黏土等量混合，制成一種混合膠，將其夾在2層還原的氧化石墨中間，上下再裝兩個集電器，就成了一種超級電容器。經測試和電子顯微圖像顯示，這種材料被加熱到200℃時也沒有變化，即使加熱到300℃也只有很小的變化。

“材料的離子電導性在180℃之前幾乎是直線增加，然后在200℃時達到飽和。”論文領導作者、萊斯大學機械工程與材料科學系研究人員阿拉瓦·瑞迪說。測試還發現，雖然在第一次充/放電中，其容量有輕微下降，但這種超級電容能穩定地通過1萬次周期測試。在運行溫度從室溫提高到200℃后，無論電能還是功率密度都提高了2個數量級。

這種新型超級電容器擁有最佳的電容性能，能在幾秒鐘內充電而瞬間放電，一般的充電電池是緩慢充電，按照需要逐漸放電。理想的超級電容器能迅速充電、儲電并按需放電。阿加恩說，它們能在200℃甚至可能更高的溫度下穩定工作。這對于在極端環境下使用的充電設備是非常有用的，比如石油鉆探、軍隊以及太空環境。

研究小組還將RTILs/黏土和少量熱塑聚氨酯結合，制成一種薄膜，可以切割成不同的大小和形狀，靈活適應多種設備的設計。

“我們的目的是克服傳統液體或膠體電解液的限制，它們只能用在低溫工作的電化能源設備中。”瑞迪說，“這項研究讓人們能在更廣泛的溫度范圍安全操作，而不必在能量、功率和周期壽命之間折中妥協，大大改善甚至消除了對昂貴的熱量管理系統的需求。”

來源：科技日報

美證實二維半導體存在普適吸光規律

以往的研究表明，二維碳薄片石墨烯擁有一個通用的光吸收系數。現在，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家首次證實，所有的二維半導體也同樣普遍適用于一個類似的簡單吸光規律。他們利用超薄半導體砷化銦薄膜進行的實驗發現，所有的二維半導體，包括受太陽能薄膜和光電器件行業青睞的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體，都有一個通用的吸收光子的量子單位，他們稱之為“AQ”。相關研究論文發表在美國《國家科學院學報》上。

許多當今的半導體技術都是基于光的吸收發展起來的。吸光性對于量子阱中的納米尺度結構來說尤為關鍵。量子阱是由帶隙寬度不同的兩種薄層材料交替生長在一起形成的具有量子限制效應的微結構，其中的電荷載流子的運動被限制在一個二維平面上，能帶結構呈階梯狀分布。

“我們使用無需支撐的厚度可減至3 nm的砷化銦薄膜作為模型材料系統，來準確地探測二維半導體薄膜的厚度和電子能帶結構對光吸收性能的影響。”論文的通信作者、勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學部的科學家阿里·賈維說，“我們發現，這些材料的階梯式光吸收比與材料的厚度和能帶結構無關。”

他們將超薄的砷化銦膜印在由氟化鈣制作的光學透明襯底上，砷化銦膜吸收光，氟化鈣襯底不吸光。賈維說：“這樣我們就能夠根據材料的能帶結構和厚度來研究厚度范圍在3～19 nm之間的薄膜的吸光性能。”

借助伯克利實驗室先進光源的傅立葉變換紅外分光鏡，賈維團隊在室溫下測出了從一個能帶躍遷到下一個能帶時的光吸收率。他們觀察到，隨著砷化銦薄膜能帶的階梯式躍遷，AQ值也以大約1.7%的系數相應地逐級遞增或者遞減。

“這種吸光規律對于所有的二維半導體來說似乎是普遍適用的。”論文另一個通信作者、電氣工程師伊萊·雅布洛諾維奇說，“我們的研究結果加深了對于強量子限制效應下的電子-光子相互作用的基本認識，也為了解如何使二維半導體拓展出新奇的光子和光電應用提供了獨特視角。”

來源：中國科技網

新型超級電容器壽命可與傳統電池相媲美

據報道，澳大利亞科學家用石墨烯制造出了一種更致密的超級電容，其使用壽命可與傳統電池相媲美，且能量密度為現有超級電容的12倍，可廣泛應用于可再生能源存儲、便攜式電子設備以及電動汽車等領域。相關研究發表在最新一期的《科學》雜志上。

超級電容一般由多孔的碳組成，其中灌滿了液體電解質（其主要作用是負責傳輸電荷）。超級電容的最大優勢是使用壽命長和充電快捷，但其缺點也很明顯，那就是能量密度比較低，目前的超級電容的能量密度僅為5～8 W·h/L，這意味著超級電容要做得很大或者必須經常充電。

現在，莫納什大學材料工程學教授李丹（音譯）領導的研究團隊研制出了一種能量密度為60 W·h/L的超級電容，其能量密度為目前的超級電容的12倍左右。李丹團隊將目光投向了材料界的后起之秀石墨烯。因為石墨烯的化學性能非常穩定，而且導電性能卓越。

李丹團隊利用他們以前研發出的一種適應性石墨烯凝膠薄膜來制造新型超級電容中的致密電極。另外，他們使用傳統超級電容內的導體——液體電解質來控制亞納米尺度的石墨烯薄片之間的間隔。這種液體電解質有兩個作用：保持石墨烯薄片之間的微小間距以及導電。

與傳統“硬”的多孔碳很多不必要的大“孔”浪費了不少空間不同，李丹團隊使用石墨烯薄片制成的電極，在沒有損害多孔性的同時也讓能量密度達到了最大值。他們使用的方法與傳統造紙過程中使用的方法類似，這意味著這一方法很容易進行工業升級而且也具有成本優勢。