劍橋大學的研究人員利用實驗和電腦建模技術研究了超級電容器中使用的多孔碳電極。他們發現，化學結構較無序的電極比結構高度有序的電極儲存的能量多得多。超級電容器是能源轉型的關鍵技術，可用於某些形式的公共交通，以及管理間歇性太陽能和風能發電，但由於能量密度較低，其應用一直受到限制。

研究人員表示，他們在《科學》雜誌上發表的研究成果代表了該領域的突破，可以為這項重要的淨零排放技術的發展注入新的活力。

與電池一樣，超級電容器也能儲存能量，但超級電容器可以在幾秒鐘或幾分鐘內完成充電，而電池則需要更長的時間。超級電容器比電池耐用得多，可持續充電數百萬次。不過，超級電容器的能量密度較低，因此不適合長期儲能或持續供電。

領導這項研究的劍橋大學優素福-哈米德化學系的亞歷克斯-福斯博士說：”超級電容器是電池的補充技術，而不是替代品。超級電容器經久耐用，充電速度極快，因此應用領域非常廣泛。

由左至右Dame Clare Grey 教授、劉昕宇、Alex Forse 博士。圖片來源：Nathan Pitt

例如，由超級電容器供電的巴士、火車或地鐵可以在乘客上下車的時間內充滿電，為到達下一站提供足夠的電力。這樣就無需在沿線安裝任何充電基礎設施。不過，在超級電容器廣泛應用之前，還需要提高其儲能能力。

電池利用化學反應來儲存和釋放電荷，而超級電容器則依靠多孔碳電極之間帶電分子的運動，這種電極具有高度無序的結構。福斯說：『想像一下石墨烯薄片，它具有高度有序的化學結構。如果你把那片石墨烯揉成一團，就會出現無序的混亂狀態，這就有點像超級電容器中的電極。 “

由於電極本身比較雜亂，科學家很難對其進行研究，也很難確定在試圖提高性能時哪些參數是最重要的。由於缺乏明確的共識，這一領域的研究陷入了困境。

許多科學家認為，碳電極中微孔（或奈米孔）的大小是提高能量容量的關鍵。然而，劍橋大學的研究小組分析了一系列市售的奈米多孔碳電極，發現孔徑大小與儲能能力之間沒有關聯。

Xinyu Liu 與石墨烯模型（左）和無序碳電極（右）。資料來源：Nathan Pitt

福斯和他的同事們採用了一種新方法，利用核磁共振（NMR）光譜–一種電池的”核磁共振成像”–來研究電極材料。他們發現，長期以來被認為是阻礙因素的材料的雜亂性實際上是其成功的關鍵。

“透過核磁共振光譜，我們發現儲能能力與材料的雜亂程度相關–越雜亂的材料越能儲存更多的能量，”第一作者、由福斯和克萊爾-格雷（Dame Clare Grey）教授共同指導的博士生劉新宇（音譯）說。 “無序性是一種很難測量的東西–只有透過新的核磁共振和模擬技術才能實現，這就是為什麼無序性是這一領域一直被忽視的特性。”

“使用核磁共振光譜分析電極材料時，會產生不同峰谷的光譜。峰的位置表明碳的有序或無序程度。”福斯說：”這並不是我們的計劃，而是一個巨大的驚喜。

那麼，為什麼混亂是好事呢？這就是研究小組下一步要研究的問題。更無序的碳在其奈米孔中儲存離子的效率更高，研究團隊希望利用這些結果設計出更好的超級電容器。材料的混亂程度是在合成時決定的。

福斯說：”我們想研究製造這些材料的新方法，看看在改進能量儲存方面，混亂能讓你走多遠。這可能是這個領域的一個轉折點，這個領域已經困頓了一段時間。克萊爾和我在十多年前就開始研究這個主題，現在看到我們以前的許多基礎工作有了明確的應用，這讓我們感到非常興奮。

編譯來源：ScitechDaily