12月6日消息，據日本東京理科大學官網近日報道，該校科學家發現，在水基電池中采用導電納米金剛石作為電極材料，可顯著提升電池的能量存儲能力。如今，超級電容（Supercapacitor）作為一種節能環保的新型儲能元件引起了人們的廣泛關注。

配備超級電容的豐田混合動力賽車TS040（圖片來源：維基百科）

超級電容，又名電化學電容，雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是從上世紀七、八十年代發展起來的通過極化電解質來儲能的一種電化學元件。超級電容具有一個正極和一個負極，兩個電極之間有一層隔膜，在正負極和隔膜之間以電解液填充，多孔化的電極具有更大的表面積去吸附電解液的電荷，因此容量可以達到很大。由于儲能的過程中沒有發生化學反應，所以這種電容充放電可多達數十萬次。

超級電容的原理示意圖（圖片來源：維基百科）

超級電容具有成本低、耐低溫、功率密度高、充電速度快、使用壽命長、環境友好等優勢。因此，超級電容可應用于一系列領域，例如汽車、可穿戴設備、醫療、備用電源、機械裝置、智能儀表等。

打印在紡織品上的石墨烯超級電容（圖片來源：曼徹斯特大學）

如今，作為一種安全、高效、高性能的儲能裝置，超級電容已經開始取代傳統電池，例如鋰離子電池。可是，目前它能夠存儲的能量比理想值的要少得多。

為了解決這個問題，TakeshiKondo博士領導的東京理科大學以及Daicel株式會社的課題組，提議采用導電納米金剛石作為電極材料，制成一種高性能的能量存儲設備（超級電容）。該設備適用于長時間內多次快速充放電的應用。在這一次創新中，金剛石又一次閃耀著光芒，脫穎而出。

（圖片來源：日本東京理科大學）

這一突破性研究發表在《科學報告（ScientificReports）》期刊上。Kondo博士表示：“如果我們可以創造出一款采用不易燃、無毒性、安全的水系電解液的高性能超級電容，那么它就可以整合到可穿戴設備及其他設備中，掀起物聯網的新一波浪潮。”

目前，雖然超級電容潛力巨大，但某些缺陷也在阻礙它們廣泛使用。其中一個主要問題就是，能量密度低。也就是說，單位體積內包含的能量不足。為解決上述問題，科學家們首先嘗試采用有機溶劑作為超級電容內的電解質（導電媒介），以提升生成的電壓（請注意電壓的平方與能量存儲設備中的能量密度直接成比例）。但是，有機溶劑非常昂貴且導電性差。所以，科學家們考慮，也許水系電解液會更好。

因此，開發可通過水系電解液起作用的超級電容元件成為了這一領域的中心研究課題。

Kondo領導的課題組，探索采用一種新型材料（摻雜硼的納米金剛石）作為超級電容的電極。電極是電池或者電容中的一種導電材料，它將電解質與外部電線連接起來，將電流傳輸到系統之外。該課題組選擇這種電極材料，是因為他們認識到摻雜硼的納米金剛石的電位窗口寬，這一特點保證了可長時間穩定工作的高能存儲設備。Kondo博士表示：“我們考慮如果采用導電金剛石作為電極材料，就可以實現生成大電壓的水基超級電容。”

科學家們采用一項稱為“微波等離子體輔助化學氣相沉積（MPCVD）”的技術來制造這些電極，并通過測試其特性來檢測其性能。他們發現，在具有含水硫酸電解液的基本雙電極系統中，這些電極產生的電壓比傳統電池高得多，使得超級電容的能量和功率密度都變得高得多。進一步說，他們發現，即使在1萬次充放電循環之后，電極仍然保持非常穩定。摻雜硼的納米金剛石已經證明了它的價值。

取得這一成就之后，科學家們開始大膽探索，如果電解質轉變為飽和的高氯酸鈉溶液（該溶液能比傳統的硫酸電解液生成更高的電壓）時，這種電極材料是否會產生同樣的結果。實際上，在這一配置中，生成的電壓大大提升。

因此，正如Kondo博士所說：“摻雜硼的納米金剛石電極適用于水系超級電容，它適用于高速充放電的高能存儲設備。”