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剑桥大学的研究人员以及位于图卢兹的法国合作者已经开发出一种新方法，可以在原子水平上看到称为超级电容器的内置电池式设备。新方法可用于优化和改进用于实际应用的设备，包括电动汽车，它们可与电池一起使用以提高车辆性能。

通过结合使用核磁共振(NMR)光谱和足够灵敏的微小尺度来检测百万分之一克的质量变化，研究人员能够可视化离子在超级电容器中如何移动。他们发现，在充电过程中，不同的工艺在两个相同的碳“海绵”中起作用，这些碳作为这些装置中的电极，与之前的计算机模拟相反。研究结果于今天(6月22日)发表在Nature Materials杂志上。

超级电容器用于快速充电和功率输送很重要的应用，例如火车和公共汽车，电梯和起重机的再生制动。它们还用于移动电话的闪光灯中，并作为电池的补充技术，以提高性能。例如，当放置在电动汽车中的电池旁边时，超级电容器在需要短暂的电力突发时是有用的，例如当超过另一辆汽车时，电池为公路驾驶提供稳定的电力。

“超级电容器具有与电池类似的功能，但功率更高 - 它们可以非常快速地充电和放电，”化学系博士后研究员，该论文的第一作者John Griffin博士说。“它们在吸收电荷方面要比电池好得多，但由于它们的密度要低得多，因此它们的电荷要少得多，因此它们还不是许多应用的可行替代品。能够看到这些设备内部的情况将有助于我们控制其性能，这有助于使它们更小更便宜，并且可能使它们成为电池的高功率替代品。

在最基本的层面上，电池由两个金属电极(阳极和阴极)制成，它们之间具有某种溶液(电解质)。当电池充电时，电解质离子存储在阳极中。随着电池放电，电解质离子离开阳极并穿过电池移动以与阴极发生化学反应。该反应所需的电子通过外部电路，产生电流。

超级电容器类似于电池，因为它可以产生和存储电流，但与电池不同，能量的存储和释放不涉及化学反应：相反，正电荷离子和负电解质离子只是“粘附”在电池的表面上。超级电容器充电时的电极。当超级电容器被放电以给设备供电时，离子可以容易地从表面“跳”并移回电解质中。

超级电容器充电和放电速度如此之快的原因在于“粘附”和“跳跃”过程比电池中的化学反应发生得快得多。

“为了增加离子粘附的面积，我们在碳电极上填充了小孔，就像碳海绵一样，”格里芬说。“但很难知道离子在电极内的孔内发生了什么 - 我们不确切知道当它们与表面相互作用时会发生什么。”

在这项新研究中，研究人员使用核磁共振来查看内部运行的超级电容器设备，以了解它们如何充电和储存能量。他们还使用了一种称为电化学石英晶体微量天平(EQCM)的微小称重秤，用于测量质量变化，仅为百万分之一克。

通过获取这两组信息并将它们组合在一起，研究人员能够准确地了解超级电容器在充电时发生的情况。

“在电池中，两个电极是不同的材料，所以不同的工艺都在起作用，”格里芬说。“在一个超级电容器中，两个电极是由相同的多孔碳海绵制成的，所以你认为两者都会发生同样的过程 - 但事实证明，真实设备中的电荷存储过程比我们之前想象的要复杂得多。 。以前的理论是通过计算机模拟完成的 - 没有人在之前的'现实生活'中观察到这一点。

实验表明，两个电极表现不同。在负电极中，存在预期的“粘附”过程，并且当超级电容器充电时正离子被吸引到表面。但是在正电极中，发生离子“交换”，因为负离子被吸引到表面，同时正离子被排斥在表面之外。

此外，EQCM用于检测离子进入和离开时电极重量的微小变化。这使研究人员能够证明溶剂分子在充电时也伴随着离子进入电极。

“我们现在可以准确地计算电荷存储过程中涉及的离子数量，并详细了解能量的存储方式，”格里芬说。“将来我们可以看看如何改变电极孔的大小和离子特性如何改变充电机制。这样，我们可以定制两个组件的属性，以最大化存储的能量。