Credit:CC0 Public Domain几十年来，研究人员和技术人员一直将电池和电容器视为两种不同的储能装置——电池以储存更多能量但释放缓慢而闻名；电容器，用于快速放电。因此，每个新的能量存储装置都被分类为一个或另一个，或者与两者中的一个有某种关系，这取决于实现它的电化学机制。但是，一个在开发和研究储能技术方面处于领先地位的国际研究团队现在提出，这些机制实际上存在于一个平滑的光谱中，试图将一个设备归类为“多于”或“少于”电池或电容器可能会阻碍该领域的进展。在最近发表在《自然能源》杂志上的一篇前瞻性论文中，来自德雷克塞尔大学、北卡罗来纳州立大学、加州大学、范德比尔特大学、德国萨尔州大学和法国保罗·萨巴捷大学的研究人员提出，所有电化学储能机制都存在于电池储能机制和电容器储能机制之间的某个连续统一体中。
“我们提出了一种统一的方法，涉及从纳米受限空间中电化学电荷存储的‘二元’观点转变为纯粹的静电现象或纯粹的感应现象，”他们写道。“它应该被看作是由离子溶剂化和离子主体相互作用的程度决定的两者之间的连续过渡。”
简单来说，光谱的一端是化学键——连接的基本机制，是原子级别的物理链接。另一端是静电引力，可暂时将离子捕获在材料内部和表面。
前一种现象被称为法拉第反应，赋予电池优异的储能能力，并允许它们逐渐释放电荷。但这也是它们需要这么长时间充电的原因。后者更像是一种短暂的吸引力，而不是真正的纽带，它使相机闪光灯能够快速爆发能量，并从混合动力和电动汽车制动中短期吸收能量。
随着储能技术的每一项新发展，无论是电极材料和电解质溶液的新组合，还是减少或促进离子转移的物理或化学添加剂，研究人员都在努力观察和准确表征手头的电化学储存机制。
但作者表示，在许多情况下，这些狭隘的定义既不准确，也无助于根据新技术的特殊储能需求定制设备。
“经典电池和超级电容器之间发生了什么长期以来一直是一个有争议的话题，”知名大学博士、德雷克塞尔工程学院巴赫教授Yury Gogotsi说，他是该论文的合著者。“所谓的‘伪电容’和混合储能装置已经研究了至少30年，但一些科学家试图完全拒绝伪电容，声称只有这两种极端情况，其他一切都是两种平行作用机制的叠加。”
作者指出，在许多这种混合装置中，离子几乎被吸收在电极材料层之间。在其他情况下，电极中的多孔纳米材料被设计为最大化离子的全部化学吸收或吸附，研究人员已经看到更快的能量放电，可能是由于电解质物质的持续存在阻止了离子的完全嵌入。
这两种情况都不理想，但它们的特性被证明是推动新技术的一种有价值的组合。
“我们希望了解离子去溶剂化(剥离溶剂分子的离子)及其在确定能量存储机制中的作用，将使我们能够在单个能量存储设备中结合高能量和高功率，”Gogotsi说。“想象一下电池在几分钟内充电——你插上手机，几分钟后拔掉，至少可以使用几个小时。对于2D材料，如MXene或石墨烯，我们可以为柔性和可穿戴电子产品制造柔性电池。”
研究人员认识到电化学储能标准载体的重要性，因为它们既是我们对该领域理论理解的支柱，也是现代技术的推动者。但他们认为，向前发展意味着在中间的某个地方运作，要明白一个合适的储能设备可能比更好的电池或超级电容器更有效。
“我们承认有两种‘理想情况’——电池和超级电容器。有针对这些情况导出的方程。还有价值数十亿美元的工业生产的商业设备。但现在我们也知道如何预测、设计和制造具有介于传统极端情况之间的特性的设备，”德国萨尔州大学的合著者、德崇大学Gogotsi小组的前研究员Volker Presser博士说。
“需要灵活、透明、保形、可穿戴能量存储、结合能量采集的设备以及其他非常规电能供应的新行业将从新型敏捷能量存储中受益匪浅。我们正在向电能驱动的经济、物联网和其他可持续应用的新的先进技术迈进。因此，承认并努力将这些新设备描述为存在于一个范围内，而不是处于两者之间，这将是非常重要的。”
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