2013超級(jí)電容在材料與性能上的研究成果

超級(jí)電容是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲(chǔ)存電能。但在其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，也正因?yàn)榇顺��?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次�；�于其功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，線已用于電動(dòng)公交車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)等工具上的儲(chǔ)能裝置。

但是由于其能量密度低，成本高等缺點(diǎn)也使得超級(jí)電容與儲(chǔ)能電池相較，不能占有有力的市場(chǎng)份額。針對(duì)這些缺點(diǎn)，科學(xué)家們也在努力的實(shí)驗(yàn)各種能夠提升能量密度和降低成本的材料以期獲得突破。下面我們就來(lái)看看今年內(nèi)超級(jí)電容在材料方面的一些研究成果。

木材超級(jí)電容器與活性炭超級(jí)電容相差無(wú)多

報(bào)告顯示，木材生物碳超級(jí)電容器能夠產(chǎn)生與當(dāng)今活性炭超級(jí)電容器相等的電量，但成本卻更低且有利于保護(hù)環(huán)境。該報(bào)告發(fā)布于《電化學(xué)學(xué)報(bào)》。

報(bào)告研究小組組長(zhǎng)、伊利諾伊斯大學(xué)可持續(xù)技術(shù)中心高級(jí)研究員JunhuaJiang表示，超級(jí)電容器與我們使用的電池相似。電池依賴(lài)化學(xué)反應(yīng)持續(xù)生產(chǎn)電能，而超級(jí)電容器在其電極上集聚帶電離子，并且在放電時(shí)迅速釋放這些離子。這樣一來(lái)，它能夠閃電般地提供充足能量(如照相機(jī)的閃光燈)，或者即時(shí)滿(mǎn)足能源網(wǎng)高峰期需求。

“對(duì)于需要即時(shí)充電或者需要即時(shí)能量供應(yīng)的應(yīng)用設(shè)備來(lái)說(shuō)，超級(jí)電容器是完美配件，因?yàn)樗�能以更低的成本迅速完成充電，”JunhuaJiang說(shuō)，其在交通、電子、太陽(yáng)能與風(fēng)能存儲(chǔ)與配送方面應(yīng)用前景廣闊。

當(dāng)今許多超級(jí)電容器使用活性炭，而活性炭來(lái)自于化石能源。“為了生成活性炭的微結(jié)構(gòu)，即增加孔量并優(yōu)化孔網(wǎng)，需要成本高昂、工序復(fù)雜的程序。這道程序的目的在于增加電極表面積，以及提高各孔迅速捕捉并釋放離子的能力�！盝unhuaJiang解釋了生成活性炭微結(jié)構(gòu)的原理。

對(duì)于木材電容器而言，其木質(zhì)天然孔狀結(jié)構(gòu)可以直接視作電極表面，因此不必使用復(fù)雜的技術(shù)制造孔狀結(jié)構(gòu)。而木材生物碳，則可通過(guò)低氧加熱木材獲得。

對(duì)于某些木材，孔的尺寸與分布非常適合離子快速傳輸。本次研究使用了紅刺柏，但是其他一些木材如楓樹(shù)或者櫻桃樹(shù)也適用。

通常，在制作超級(jí)電容器時(shí)，通常需要成本高昂且腐蝕性強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)用來(lái)加工活性炭，以此賦予電極必要的物理與化學(xué)性質(zhì)。

“使用這些化學(xué)物質(zhì)可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。我們應(yīng)該避免或盡可能減輕對(duì)環(huán)境的破壞，”JunhuaJiang表示。

Jiang與他的團(tuán)隊(duì)用溫和的硝酸激活生物碳，清除了生物碳的灰燼(如碳酸鈣、碳酸鉀和其他雜質(zhì))。該工序還具有另一個(gè)好處，硝酸化合物作用產(chǎn)生的溶劑能夠當(dāng)做化肥使用。

這些簡(jiǎn)單的方法顯著降低了生產(chǎn)超級(jí)電容器所需的物質(zhì)與環(huán)境成本。

“生物碳超級(jí)電容器的物質(zhì)成本比活性炭超級(jí)電容器要低得多，”JunhuaJiang說(shuō)。

當(dāng)生物碳超級(jí)電容器使用壽命走到盡頭時(shí)，可以粉碎電極并作為有機(jī)土壤改良劑使用，這將讓土壤變得更加肥沃�！吧�物碳物質(zhì)的性能可與當(dāng)今高級(jí)碳物質(zhì)相提并論，這包括碳納米管與墨烯材料。這意味著，我們能以更低的物質(zhì)成本、與環(huán)境成本實(shí)現(xiàn)等同的效率�！�

焦化后的頭發(fā)讓超級(jí)電容器更環(huán)保

中國(guó)的科研人員使用燒焦的頭發(fā)制成儲(chǔ)能設(shè)備的重要構(gòu)成。使用這項(xiàng)發(fā)明制造的產(chǎn)品將會(huì)取代傳統(tǒng)電池，更加高效、環(huán)保。

目前，很多電池比如車(chē)載鉛酸電池都很笨重，而且需要依靠有危險(xiǎn)性的化學(xué)物質(zhì)才能儲(chǔ)能。隨著移動(dòng)電子產(chǎn)品的全球銷(xiāo)售額不斷增長(zhǎng)，電池引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，并激發(fā)科研人員投入到超級(jí)電容器的研發(fā)中。超級(jí)電容器使用可持續(xù)的碳材料制成，對(duì)環(huán)境無(wú)害。

然而，這些碳材料不但生產(chǎn)制造復(fù)雜，而且也不容易從化石燃料中獲取。來(lái)自蘇州大學(xué)的馮巖(音)及其科研小組使用簡(jiǎn)單的碳化過(guò)程把人的頭發(fā)變?yōu)榭捎糜诔��?jí)電容器電極的碳片。

作為原始材料，人的頭發(fā)有幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：成本低廉和資源豐富。人的頭發(fā)含有天然的氮和硫，可以保留在碳片里，提升材料的導(dǎo)電性。人的頭發(fā)由蛋白質(zhì)構(gòu)成，其纖維排列使碳片具有特殊的結(jié)構(gòu)和很高的表面積，因此制造出的超級(jí)電容器能夠進(jìn)行快速充電。馮巖表示：“他們不僅可以為您的設(shè)備快速充電，還可以讓設(shè)備的續(xù)航能力更持久�！�

英國(guó)華威大學(xué)納米材料和綠色化學(xué)專(zhuān)家AdamLee說(shuō)道：“這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)很有意思。這種材料通常被用作吸收劑，但很少用在電子設(shè)備上。和所有生物衍生材料面臨的問(wèn)題一樣，是否有足夠的頭發(fā)用于商業(yè)用途?它的純度是否能確保生產(chǎn)出可再生產(chǎn)品?”

現(xiàn)在，研究小組正在測(cè)試它們的新材料是否還能夠用于傳統(tǒng)的鋰離子電池。

美用黏土開(kāi)發(fā)出高溫超級(jí)電容器

在自然界里，黏土豐富而廉價(jià)，卻能成為一種超級(jí)電容器的關(guān)鍵成分。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)9月3日?qǐng)?bào)道，美國(guó)萊斯大學(xué)科學(xué)家用黏土和一種電解液混合，開(kāi)發(fā)出一種既能當(dāng)電解液又能當(dāng)隔離板使用的“復(fù)合板”，可作為一種新型高溫超級(jí)電容器。相關(guān)論文在線發(fā)表于9月3日的《自然·科學(xué)報(bào)告》上。

“多年來(lái)，研究人員一直想造出像電池和超級(jí)電容器這樣能在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作的能源存儲(chǔ)設(shè)備，但由于傳統(tǒng)材料本身性質(zhì)的制約，一直未能攻克難題�！比R斯大學(xué)材料科學(xué)家帕里柯·阿加恩說(shuō)，“我們的革新是找到了一種能在高溫下