（上图为高性能超级电容器电极的示意图。左：场发射电子扫描显微镜和透射电子显微镜得到的图像。右：纳米结构的部分示意图。(来源：S.N. Bose国家基础科学研究中心)
超级电容器作为一种性质优良的能量储存设备，具有超高的充/放电的速率，稳定性也极佳，使用寿命也很长并且能量密度也很高。想象一下如果你能在几秒钟之内给你的手机充满电，甚至给电动汽车充满电也用不了几分钟，超级电容器在不远的将来就能实现这样的情景。
尽管拥有良好的应用前景，并且也具有比传统电池更快的充电速度与续航能力，但是相应的，超级电容器所占用的体积以及它的重量比相同容量的电池大得多。因此，很多科学家都在试图解决这一问题，希望能制备出绿色低成本的高性能轻质超级电容器。
来自印度S.N. Bose国家基础科学研究中心的两位学者研发出了一种超级电容器，它的电极结构比较特殊，外壳层是由氧化镍与氧化铁组成的复合材料，内部包裹着导电性良好的铁镍合金。
在这周美国物理学会出版集团的期刊《应用物理杂志》上，他们的文献报道了上述复合电极的合成方法。他们还做了跟其他电池的对比试验。由于氧化镍和氧化铁都是性价比非常高的环保材料，因此满足绿色低成本超级电容的要求。
“复合电极表现出了优异的电化学性质，它的电容量(储存电能的能力)达1415法拉每克，能量密度达2.5安培每克，它的电阻非常小，而且功率密度非常高，” S.N. Bose国家基础科学研究中心凝聚态物理与材料科学系的首席科学家，Ashutosh K. Singh这样说道。“它同样具有很高的循环稳定性，换句话说，在经过3000次充/放电后，该电极仍能具有原始容量的95%。”
超级电容器的优点
超级电容器的特点是能存储大量的电能。它们也被称为电化学电容，拥有极高的功率密度，充放电速率高，循环稳定性好和极高的能量密度。
在储能设备中，单位质量中蕴含的电能称为“能量密度”,而“功率密度”指的是设备获得或给予能量的速率。传统电容器的功率密度很高，但是能量密度并不算高，这意味着它们的充放电速率很高，但是所能储存的电能并不多。
传统电池在这方面与传统电容的表现恰恰相反。电池有着较高的能量密度，能储存大量的电能，但是它的充电时间可能要达到几个小时。超级电容器就像传统电池和传统电容的综合体，拥有它们两者的所有优点，高能量密度和低电阻，因此超级电容器有望取代电池成为高效、可靠甚至更安全的电源。
在超级电容中，高电容，也就是储存电荷的能力，是实现高能量密度的关键。同时，为了实现高功率密度，它就得具有较大的电化学可及表面积、高电导率和能让离子快速通过的通道。纳米结构材料能满足以上这些要求。
科学家们是怎样合成新电极的
受先前在电导率方面研究的启发，掺杂不同的金属氧化物材料能提高电导率，Singh和他的同事Kalyan Mandal教授将氧化镍和氧化铁制成了杂化材料，接着组装成具有特殊核/壳结构的纳米结构电极。
“通过改变使用的材料和电极的形态，我们就能得到不同性能的超级电容器。” Singh告诉我们。
在Singh的实验中，核/壳纳米结构的合成需要以下两个步骤。首先，通过标准电沉积技术，研究人员得到了排列整齐的氧化镍纳米线，这些纳米线生长在经过阳极化处理的氧化铝基底上，接着溶解掉基底分理出复合纳米线。然后，研究人员将这些纳米线放置在450℃的强氧环境中，时间控制的较短，最后再组装得到高孔隙度的氧化镍复合电极壳以及内部的铁镍合金核。
“这种核/壳复合纳米结构的优点就是高孔隙度的壳纳米层为氧化还原反应提供了非常大的表面，并且缩短了离子扩散的距离，” Singh说。超级电容器是通过氧化还原反应来储存电荷的，这其中就涉及到了一种物质给予电子，同时离子通过电解液和电极在两极间转移。进行氧化还原反应的表面积越大，超级电容器的功率密度就越大。
Singh接着补充道：“铁镍核为电子的转移提供了高速通道，能让电子更快的到达集电器，这使得电极的电导率及其他电化学性能非常的好，能够满足高性能超级电容器的要求。”
新电极的表现
通过循环伏安法和恒流充/放电法，Singh和Mandal深入研究了这种杂化材料电极的电化学性能。实验设置了一个对照组，没有纳米结构的电极，比如镍/氧化镍电极和铁/氧化铁电极，结果表明，核/壳结构的电极具有更高的电容，更高的能量密度以及更多的充/放电次数。
“具体来讲，杂化材料电极的能量密度分别是镍/氧化镍和铁/氧化铁电极的3倍和24倍，” Singh这样说。“实验对比结果表明将镍/氧化镍电极与铁/氧化铁电极组合起来之后，能得到具有更好电化学性能的电极，这意味着复合电极能提升超级电容器的性能。”
Singh的合成方法有一个特点，那就是它不需要额外的粘合剂材料。根据从Singh处了解到的情况，粘合剂通常会在碳基或石墨烯基超级电容器的合成中使用，它的作用是将参加氧化还原反应的物质粘合在电极表面。由于没有粘合剂的存在，这种复合电极很适合制备轻质超级电容器。
Singh总结道：“实验结果说明，氧化铁-氧化镍的核/壳纳米结构电极具有优异的电化学性能，很适合用来制备轻质、低成本和环保的超级电容器电极，具备现实应用的可能。”
研究人员下一步的计划是在复合电极的基础上制备出一个完整的超级电容器设备，并测试其功能表现。总之，我们离超级电容的工业生产又近了一步。(翻译：木成)
