2013超級電容在材料與性能上的研究成果

　　超級電容是一種介于傳統電容器與電池之間、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存電能。但在其儲能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應，這種儲能過(guò)程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬(wàn)次?；谄涔β拭芏雀?、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(cháng)、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，線(xiàn)已用于電動(dòng)公交車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)等工具上的儲能裝置。

　　但是由于其能量密度低，成本高等缺點(diǎn)也使得超級電容與儲能電池相較，不能占有有力的市場(chǎng)份額。針對這些缺點(diǎn)，科學(xué)家們也在努力的實(shí)驗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)看看今年內超級電容在材料方面的一些研究成果。

　　木材超級電容器與活性炭超級電容相差無(wú)多

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

　　報告研究小組組長(cháng)、伊利諾伊斯大學(xué)可持續技術(shù)中心高級研究員JunhuaJiang表示，超級電容器與我們使用的電池相似。電池依賴(lài)化學(xué)反應持續生產(chǎn)電能，而超級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(如照相機的閃光燈)，或者即時(shí)滿(mǎn)足能源網(wǎng)高峰期需求。

　　“對于需要即時(shí)充電或者需要即時(shí)能量供應的應用設備來(lái)說(shuō)，超級電容器是完美配件，因為它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)能存儲與配送方面應用前景廣闊。

　　當今許多超級電容器使用活性炭，而活性炭來(lái)自于化石能源?！盀榱松苫钚蕴康奈⒔Y構，即增加孔量并優(yōu)化孔網(wǎng)，需要成本高昂、工序復雜的程序。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構的原理。

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

　　對于某些木材，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，在制作超級電容器時(shí)，通常需要成本高昂且腐蝕性強的化學(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 )對環(huán)境造成影響。我們應該避免或盡可能減輕對環(huán)境的破壞，”JunhuaJiang表示。

　　Jiang與他的團隊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)生的溶劑能夠當做化肥使用。

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

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

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

　　焦化后的頭發(fā)讓超級電容器更環(huán)保

　　中國的科研人員使用燒焦的頭發(fā)制成儲能設備的重要構成。使用這項發(fā)明制造的產(chǎn)品將會(huì )取代傳統電池，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性的化學(xué)物質(zhì)才能儲能。隨著(zhù)移動(dòng)電子產(chǎn)品的全球銷(xiāo)售額不斷增長(cháng)，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電容器的研發(fā)中。超級電容器使用可持續的碳材料制成，對環(huán)境無(wú)害。

　　然而，這些碳材料不但生產(chǎn)制造復雜，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夒娙萜麟姌O的碳片。

　　作為原始材料，人的頭發(fā)有幾點(diǎn)優(yōu)勢：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，提升材料的導電性。人的頭發(fā)由蛋白質(zhì)構成，其纖維排列使碳片具有特殊的結構和很高的表面積，因此制造出的超級電容器能夠進(jìn)行快速充電。馮巖表示：“他們不僅可以為您的設備快速充電，還可以讓設備的續航能力更持久?！?/p>

　　英國華威大學(xué)納米材料和綠色化學(xué)專(zhuān)家AdamLee說(shuō)道：“這項發(fā)現很有意思。這種材料通常被用作吸收劑，但很少用在電子設備上。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?”

　　現在，研究小組正在測試它們的新材料是否還能夠用于傳統的鋰離子電池。

　　美用黏土開(kāi)發(fā)出高溫超級電容器

　　在自然界里，黏土豐富而廉價(jià)，卻能成為一種超級電容器的關(guān)鍵成分。據物理學(xué)家組織網(wǎng)9月3日報道，美國萊斯大學(xué)科學(xué)家用黏土和一種電解液混合，開(kāi)發(fā)出一種既能當電解液又能當隔離板使用的“復合板”，可作為一種新型高溫超級電容器。相關(guān)論文在線(xiàn)發(fā)表于9月3日的《自然·科學(xué)報告》上。

　　“多年來(lái)，研究人員一直想造出像電池和超級電容器這樣能在高溫環(huán)境下穩定工作的能源存儲設備，但由于傳統材料本身性質(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保持穩定的、非傳統的電解質(zhì)/隔離板系統?！?/p>

　　他們研究了歐洲和奧地利科學(xué)家于2009年開(kāi)發(fā)的一種室溫離子液(RTILs)。RTILs在室溫下導電性較低，但加熱后黏度會(huì )降低而導電性提高。黏土具有很高的熱穩定性、吸附能力和滲透性，活性表面積也很大。通常用在石油鉆探、現代建筑或鋼鐵鑄造中。

　　研究人員把RTILs和自然界的斑脫土黏土等量混合，制成一種混合膠，將其夾在兩層還原的氧化石墨中間，上下再裝兩個(gè)集電器，就成了一種超級電容器。經(jīng)測試和電子顯微圖像顯示，這種材料被加熱到200℃時(shí)也沒(méi)有變化，即使加熱到300℃也只有很小的變化。

　　“材料的離子電導性在180℃之前幾乎是直線(xiàn)增加，然后在200℃時(shí)達到飽和?！闭撐念I(lǐng)導作者、萊斯大學(xué)機械工程與材料科學(xué)系研究人員阿拉瓦·瑞迪說(shuō)。測試還發(fā)現，雖然在第一次充/放電中，其容量有輕微下降，但這種超級電容能穩定地通過(guò)1萬(wàn)次周期測試。在運行溫度從室溫提高到200℃后，無(wú)論電能還是功率密度都提高了兩個(gè)數量級。

　　這種新型超級電容器擁有最佳的電容性能，能在幾秒鐘內充電而瞬間放電，一般的充電

　　電池是緩慢充電，按照需要逐漸放電。理想的超級電容器能迅速充電、儲電并按需放電。阿加恩說(shuō)，它們能在200℃甚至可能更高的溫度下穩定工作。這對于在極端環(huán)境下使用的充電設備是非常有用的，比如石油鉆探、軍隊以及太空環(huán)境。

　　研究小組還將RTILs/黏土和少量熱塑聚氨酯結合，制成一種薄膜，可以切割成不同的大小和形狀，靈活適應多種設備的設計。

　　“我們的目的是克服傳統液體或膠體電解液的限制，它們只能用在低溫工作的電化能源設備中?！比鸬险f(shuō)，“這項研究讓人們能在更廣泛的溫度范圍安全操作，而不必在能量、功率和周期壽命之間折中妥協(xié)，大大改善甚至消除了對昂貴的熱量管理系統的需求?！?/p>

　　石墨烯制造超級電容充電僅需數秒

　　埃及一名科學(xué)家已經(jīng)發(fā)明了一種制造超級電容與

　　電池的方法，用這種方法使用石墨烯制造的電池可以在數秒內完成充電、且電力可以持續很長(cháng)時(shí)間。這位科學(xué)家在加州大學(xué)洛杉磯分校進(jìn)行了他的研究。

　　石墨烯是一種由碳原子構成的二維網(wǎng)狀結構的新型材料，它具有柔韌性、高密度、電子移動(dòng)速度極快等特點(diǎn)。

　　馬希爾·高迪是美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員，也是埃及開(kāi)羅大學(xué)的教研人員。他介紹稱(chēng)，在研究提取石墨烯的實(shí)用方法時(shí)，他發(fā)現了石墨烯許多優(yōu)良的屬性，由于這些屬性，用石墨烯制造的超級電容的儲電能力是現有超級電容的兩倍之多。

　　超級電容主要用來(lái)存儲太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能，中國與荷蘭已經(jīng)在實(shí)際應用當中使用了超級電容。

　　高迪強調，用石墨烯制造的超級電容具有“充電過(guò)程僅需1秒”的特點(diǎn)，而這還是在充電過(guò)程具有30毫秒響應時(shí)間的前提下。事實(shí)上，目前超級電容的充電過(guò)程需要大約90秒。同時(shí)，這種電容體積很小，僅有7至8微米厚，而人的頭發(fā)直徑為50微米。

　　這位埃及科學(xué)家表示，使用石墨烯可以制造適用于智能手機、平板電腦與筆記本電腦的電池。這種電池的平均充電時(shí)間為30秒，而這短短30秒的充電時(shí)間可以讓筆記本電腦工作數日，更可以讓智能手機與平板電腦工作數周。

　　他還指出，石墨烯電池具有柔韌性與可折疊性;此外，它是一種無(wú)毒材料，并且對環(huán)境無(wú)害。

　　高迪表示，他的研究成果將在短短幾年后出現商業(yè)化產(chǎn)品，目前他已經(jīng)選擇了一家名為MaxwellTechnology的公司進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。

　　高迪的這項創(chuàng )新是電池與超級電容行業(yè)的重大轉變。與電腦與電子行業(yè)相比，電池與超級電容行業(yè)還沒(méi)有顯著(zhù)的發(fā)展，但是后者卻在前者當中發(fā)揮著(zhù)巨大的作用。因此，高迪表示，以石墨烯為原料的電池與電容將會(huì )極大地推動(dòng)上述行業(yè)的發(fā)展。

　　硅基超級電容器可在數分鐘內完成充放電

　　Vanderbilt大學(xué)研究人員提出了一種在硅基超級電容器內儲存電力的新方法，超級電容器能在短時(shí)間內為手機充滿(mǎn)電，可以連續工作數周而不用再充電。

　　研究報告發(fā)表在《自然》旗下的《ScientificReports》期刊上。研究人員提出了新的超級電容器儲存電力方法，不是將電能以化學(xué)反應形式儲存，而是通過(guò)在多孔材料表面聚集離子的方式儲存電力。新的方法可以在數分鐘內充放電，可以運作數百萬(wàn)周期，而不是普通電池的數千充放電周期。

　　不可否認，這些研究都具有一定的價(jià)值，但是離真正的量產(chǎn)化和低成本還有不小的距離。一旦超級電容在能量密度和成本上的研究獲得突破，必然會(huì )對整個(gè)儲能行業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大的沖擊和改變。