超级电容器是一种类似电池的设备，可以在几秒钟或几分钟内充满电。在追求更高效能量存储和转换技术的道路上，超级电容器因其快速充电和耐用的储能特性而备受瞩目。然而，相对于电池，超级电容器长期以来面临着能量密度较低的挑战，使其不适合提供长期能量存储。微孔活性碳材料作为商用超级电容器中最常用的电极材料之一，一直备受研究者的关注。

为了克服这一挑战，英国剑桥大学教授Alexander Forse团队进行了一项突破性的研究，深入探索了微孔碳电极结构与性能之间的关系，他们发现，化学结构更无序的电极比结构高度有序的电极储存的能量多得多。

这项研究为制备高性能的微孔碳电极铺平了道路。4月18日，相关研究成果发表在《科学》上。

微孔活性碳是一种不规则形态的材料。如果将一片石墨烯比喻为一张光滑的白纸，那么微孔活性碳就是由无数大小和形状各异的褶皱纸张堆叠而成的结构。

“我们利用固体核磁共振技术，并结合计算模拟，对超级电容器中采用的微孔碳电极进行了深入探究。研究结果显示，微孔碳的储能性能与材料结构的无序程度密切相关。而且在结构更为无序的情况下，微孔碳的储能性能将显著提高。”该论文第一作者、剑桥大学博士生刘芯妤在接受《中国科学报》采访时介绍。

刘芯妤与英国剑桥大学教授Clare Grey（左）、Alex Forse（右）合影        

刘芯妤与有序碳模型（左）和无序碳电极（右）      Nathan Pitt摄

研究发现了微孔碳的无序结构与性能之间的关联性，这一发现颠覆了以往科学家们对于提高碳基超级电容器性能的传统认知，也解开了领域内近20年以来关于“微孔碳结构与性能关系”的争议。

此前，人们普遍认为微孔孔洞的大小是决定微孔碳电容量的关键因素。然而，这项研究证实了微孔碳的无定形程度才是实现性能提升的关键。

近年来，超级电容器作为一种能够快速充放电且具有极高循环稳定性的能量存储设备，已广泛应用于需要频繁充电的器件，如电动汽车，火车，公共汽车等。

“本研究的突破性成果为超级电容器技术的进一步发展提供了新的思路和方法。通过调整微孔碳的无序结构，未来可以实现超级电容器能量密度的大幅提升，从而推动其在电动汽车、可再生能源存储等领域的应用，成果的发表将加速高性能超级电容器技术的商业化进程，为构建清洁、高效的能源未来贡献更大力量，助力‘碳中和’目标的实现。”刘芯妤说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adn6242