科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)出一種新型儲電材料，能使汽車制造商制造出充電速度更快的電動汽車。

您買的下一輛電動汽車可能比之前的更有活力，這是因為據(jù)相關(guān)科學(xué)家報道，他們已經(jīng)研發(fā)出一種新型儲電材料，其在維持大容量和快速充放電方面處于領(lǐng)先水平。此外，由于其原材料在市場上可以輕易獲取，而且還不太貴，它可能比那些仍在研發(fā)當(dāng)中的，雖然有著更高性能，卻依賴于特殊材料的材料更實用。這樣一來，汽車制造商將能打造出充電更快的汽車，且駕駛里程將超過現(xiàn)在路面上的任何電動汽車。

這種新材料叫做共價有機框架（COF），是一種多孔晶體材料。它可以放在“超級電容器”內(nèi)部，用于儲存電能。超級電容器的用途頗為廣泛，大到汽車，小到電腦，都可以找到它的身影。以最簡單的超級電容器為例，它由導(dǎo)電液體或電解質(zhì)分隔開的兩個金屬電極構(gòu)成。給設(shè)備充電時，你需要在電極兩端加載一定的電壓。然后，帶有相反電荷的離子會聚集在電極表面，在充電完成斷開電壓之后這些帶電離子也不會離開電極。當(dāng)超級電容器放電時，電子從負極流向正極，沿途做功，釋放儲存的能量。

由于電荷轉(zhuǎn)移如此之快，超級電容器可以在數(shù)秒內(nèi)完成充放電過程，而普通電池的充放電過程需要耗費數(shù)小時。這使得超級電容器成為電動汽車中再生制動系統(tǒng)的理想選擇，這一系統(tǒng)利用剎車過程中的能量來產(chǎn)生瞬間存儲的電流。

麻煩的是超級電容器的存儲電量受限于其電極的表面積，遠低于普通電池的體積存儲容量。鑒于該局限性，自然而然會有一些公司設(shè)法去增大電極的表面積，如借助多孔導(dǎo)電材料（如統(tǒng)領(lǐng)市場的活性炭）來實現(xiàn)這一目標(biāo)。當(dāng)然，他們一直在努力做得更好。

其中一種解決方案是選用擁有極大表面積的材料，比如碳納米管和石墨烯。這兩者都由單層碳原子構(gòu)成，目前容量最高的超級電容器正是由它們所制備。但是這兩種材料本身價格昂貴，且在大規(guī)模應(yīng)用需求的體積下制備困難。另一種電極制備材料是氧化還原活性分子，它們可以輕易地吸收和釋放電子。但這些氧化還原活性材料也有一定的局限。一些分子在吸收、釋放電子幾個循環(huán)之后性能有所下降，另一些則因為多孔性太低，而不能制作超級電容器。

來自康奈爾大學(xué)的化學(xué)家威廉˙迪希特爾（WilliamDichtel）在兩年前就發(fā)現(xiàn)共價有機框架材料（COF）在這方面有出色表現(xiàn)。迪希特爾及其同事們制備出首個具有氧化還原活性的COF，其由有機中間體2,6-二氨基蒽醌（DAAQ）和1,3,5-三甲酰基間苯三酚（TFP）組合而成。迪希特爾的團隊發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)臈l件下，DAAQ和FTP會自行組裝為大的中空的六邊形。而且，這些六邊形彼此相接，如同浴室地板上的瓷磚。其他的六邊形層狀結(jié)構(gòu)疊加在第一層表面，所有的中心孔規(guī)則排列。最終，這些材料成為了由六邊形平鋪堆疊而成的規(guī)則晶體，具有微孔透射結(jié)構(gòu)，其表面積與活性炭相當(dāng)。

鑒于氧化還原活性COF同樣具有吸收電子的能力，它們有制備更優(yōu)秀的超級電容器電極材料的潛力。據(jù)研究人員報道，今年早些時候，當(dāng)他們在金電極表面生長COF薄片時，COF材料的比容量僅為160F/g左右，甚至不如現(xiàn)下最好的商業(yè)超級電容器。這是因為，盡管COF材料可快速充放電，而且每個六邊形結(jié)構(gòu)能捕獲多達12個電子，但它本身的導(dǎo)電性能不佳。導(dǎo)電性能的缺乏意味著只要COF材料的厚度超過200nm，其上部的電子都沒法到達電極。“我們沒有辦法讓電荷從較厚的材料層中轉(zhuǎn)移出來。”迪希科爾說道。

這一問題直到現(xiàn)在才有所突破。在本周舉行的美國化學(xué)學(xué)會會議上，迪希特爾宣布他和他的團隊已經(jīng)克服了這一厚度限制障礙，方法是在厚厚的DAAQ-TFPCOF材料表面鍍一層薄薄的導(dǎo)電聚合物——3,4-乙烯二氧噻吩，又稱為PEDOT。結(jié)果表明，所有儲存的電荷都可以迅速穿過PEDOT到達下面的金電極，其比容量達到350F/g，高于市場中的任一超級電容器。這一數(shù)值仍然遠低于報道過的基于碳納米管的超級電容器設(shè)備的3300F/g的比容量，但是由于有機中間體易于獲取，新的基于COF材料的超級電容器可能更易實現(xiàn)商業(yè)化。

“這玩意很贊，”來自哈佛大學(xué)的化學(xué)家喬治˙懷特塞茲（GeorgeWhitesides）表示。懷特塞茲提醒道，基于COF材料的超級電容器現(xiàn)在仍處于初級階段，它們是否有足夠的穩(wěn)定性能應(yīng)用到汽車上還有待證明。但是迪希特爾指出，這種材料已經(jīng)經(jīng)過數(shù)千次充放電循環(huán)，而沒有顯示出容量耗損的跡象。還有，迪希特爾補充說，還有許多可用于制備COF材料的氧化還原活性分子沒有被開發(fā)，因此還有提高的空間。“這一切只是剛剛開始。”他謙虛地表示。但實際上他們已經(jīng)做得非常好了。