麻省理工学院使用中子驱动以改善超级电容器

在ORNL，麻省理工学院的研究人员使用中子研究了MOF(Metal Organic Frameworks 金属有机骨架化合物)材料，该材料有一天可以用作耐用的超级电容器和潜在的动力车辆。图片来源：ORNL / Genevieve Martin

与电容器相比，电池中包含的化学物质以相对较低的速率存储和释放电能，电容器通常用在需要快速输送功率的应用中。电容器可以通过使用电场将电荷存储在负极和正极板上来快速充电和释放能量。电极板由电解质，传导离子的固体或液体材料隔开。向电容器施加正或负电势会使离子沿一个方向或另一个方向流动。

新型电容器称为超级电容器，由先进的复合材料和纳米材料制成，可提供更高的储能能力和更高的功率，并且具有无限的循环寿命。但是，甚至需要更高的能量密度，才能使超级电容器一天之内成为电动汽车等大功率应用中的唯一电源。

麻省理工学院的科学家在能源部(DOE)的橡树岭国家实验室(ORNL)进行了中子研究，以研究一种新型的，高孔隙度的纳米材料，该材料可用作耐用的高能超级电容器。研究结果发表在Angewandte Chemie国际版上。

麻省理工学院化学系WM Keck能源教授MirceaDincă表示：“麻省理工学院最近开发了一种具有出色的导电性和储能能力的金属有机骨架材料。” “如果我们能更好地理解MOF如何如此迅速地存储和释放大量电能，我们也许可以将其转变为坚固的超级电容器材料。”

开发下一代电极材料需要对其能量存储机制有深入的了解。MOF是由金属离子和有机分子组成的晶体材料，并且具有微孔，这使其成为研究充电和放电机理的良好模型。

为了研究离子在麻省理工学院的多孔导电MOF中的吸附机理，研究小组用这种材料制成了电极，然后将其浸入含有三氟甲磺酸钠电解质的溶剂中。当研究人员打开或关闭电压并将其切换为负或正然后再次返回时，这使带正电和带负电的离子自由流动。

通过在ORNL的高通量同位素反应堆(HFIR)上进行的小角度中子散射实验，研究人员发现，当施加电压为零时，电解质中的钠离子在MOF的棒状结构单元上形成一个薄层，而溶剂分子渗透到毛孔。施加正或负电压会分别导致钠离子或三氟甲磺酸根离子也进入孔中。随后反转极性会导致孔内的离子与外部的离子切换位置。

中子数据表明，微孔中的电荷存储机制强烈取决于电极极化。这些发现为纳米材料中的电荷存储机制提供了新的见解。

ORNL的中子散射科学家Lilin He说：“ MOF通常具有高孔隙率，但电导率很低，这限制了它们在大功率应用中的使用。” “当您考虑所有内部孔，缝隙和表面时，这种导电MOF是一种高度多孔的纳米材料，其总表面积非常大。

他补充说：“与它的导电性同等重要的是，即使在10,000次循环后，该MOF的电容也仅损失10%，内部电阻也没有增加，这可能表明其在未来的商业应用中具有良好的耐久性。”

中子散射是观察MOF内部离子活性的理想工具，因为中子可以深入地渗透到几乎任何材料中。他们对轻元素的存在也很敏感，例如研究人员添加到电解质中的氘(氢的同位素)。电解质中的氘化氢提供了对比，以帮助查看离子的位置，即使在MOF的数百万个孔内也是如此。

科学家接下来计划生产MOF材料的变体，并再次使用中子研究其能量容量，并确定它们是否更高效，更快，以及在更高电压下的性能。

能源部科学办公室和ORNL的实验室指导研究与开发计划为中子研究提供了支持。