普通磚頭「變身」超級電容器？
2020-09-04 半導體行業觀察
來源：本文由半導體行業觀察摘自IEEE電氣電子工程師，謝謝。
隨著太陽能電池板和風力渦輪機的不斷增加，最大的問題是如何儲存太陽升起或颳風時產生的所有多餘電力，以便在其他時間使用。潛在的解決方案已經以多種形式被提出，包括巨大的電池組、快速旋轉的飛輪和地下氣穴。現在，一個研究小組稱，一種經典的建築材料——紅燒磚可能會成為尋求儲能方法的競爭者。
普通的磚像海綿一樣多孔，它的紅色是由於富含氧化鐵的色素沉澱。Julio D'Arcy和他的同事發現，這兩種特性都為導電聚合物的生長和承載提供了理想的條件。位於聖路易斯的華盛頓大學的研究小組將基本的磚塊改造成了可以照亮發光二極體的超級電容器。
超級電容器之所以引起人們的興趣，是因為與電池不同，超級電容器可以提供快速的能量爆發，並且能夠快速充電。缺點是，與電池相比，它們儲存的能量相對較少。在電動汽車中，超級電容器支持加速，但鋰離子模塊提供數百英裡的動力。然而，許多科學家和技術開發人員希望超級電容器能夠在許多應用中取代傳統電池，因為採礦和處理金屬造成了巨大的環境代價。
華盛頓大學化學系助理教授D'Arcy說，建築磚概念驗證項目為世界上許多磚牆和結構提供了新的可能性。通過電線連接的屋頂太陽能電池板可以為磚塊充電，進而為應急照明或其他應用提供內部備用電源。
他在電話中說：「如果我們成功（擴大規模），你的房子就不再需要電池了。磚塊本身就是電池。」
近日出版的《自然通訊（Nature Communications）》雜誌描述了這種新型設備，與加州沙漠和中國農村等地正在進行的兆瓦級存儲項目相去甚遠。但D』Arcy說，這篇論文首次表明，磚可以儲存電能。他指出，在一個尋求創意的領域，它提供了發人深思的東西。
研究人員首先在一家大型五金店購買一堆65美分的紅磚。在實驗室裡，他們研究了這種材料的微觀結構，並用蒸汽填充磚的許多孔隙。接下來，把磚塊放進加熱到160攝氏度的烤箱。氧化鐵引發了一種化學反應，在磚的空腔上覆蓋了一層薄薄的PEDOT，一種被稱為聚（3，4-乙基二氧噻吩）的聚合物。
從爐子裡冒出來的磚塊帶有一種黑藍色的色調，並且能夠導電。
D』Arcy的團隊隨後將銅導線連接到兩塊塗有塗層的磚上。為了防止磚塊疊在一起時短路，研究人員用一層薄薄的聚丙烯塑料薄膜將這些磚塊分開。以硫酸為基礎的溶液作為液體電解液，通過銅導線將磚塊連接到AAA電池上大約一分鐘。一旦充電，這些磚塊可以為白色LED供電11分鐘。
D』Arcy說，如果把這種超級電容器應用到50塊磚上，它可以為3瓦的燈供電大約50分鐘。這種電流裝置可以在充電10000次後仍能保持原有電容的90%。研究人員正在進一步開發這種聚合物的化學性質，以期達到10萬次充電。
然而，並非只有聖路易斯的研究人員在尋求使用日常材料來製造超級電容器。
在蘇格蘭，格拉斯哥大學的一個研究小組已經開發出一種可以利用人體汗液充電的靈活裝置。研究人員在一塊聚酯纖維布上塗上一層薄薄的PEDOT，吸收穿著者的汗液，產生電化學反應並發電。這個想法是，這些塗層布可以為可穿戴電子設備提供動力，只需少量的汗水就可以保持運轉。
印度海得拉巴理工學院正在探索將玉米殼用於高壓超級電容器。印度的玉米生產州產生了大量的穀殼廢料，研究人員稱這些廢料可以轉化為活性炭電極。根據《能源雜誌》（Journal of Power Sources）最近的一項研究，生物質為聚合物和類似材料製成的電極提供了一種潛在的更便宜、更簡單的替代品。
然而，要真正進入電池的主導地位，化學反應會驅動產生電壓，超級電容器需要顯著提高其能量密度。D'Arcy說他的充電磚與鋰離子電池相比「兩個數量級的差距」，就其所能儲存的能量而言。
他說：「這是我們試圖做的另一件事，幫助聚合物儲存更多的能量。很多團體都在嘗試這樣做，」他補充道，「但他們沒有用磚塊來做。」
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【科普】超級電容器的分類與優缺點分析
2 超級電容器的主要功能 與普通電容器相比，超級電容器在結構上進行了改進調整，且在原理上得到了優化。但在使用期間超級電容器與常規電容器的功能相近。超級電容器中的旁路電容可以定期儲存電能，但其它元器件在運行中需要能量時，則能及時釋放出電荷維持使用。旁路電容器的最大功能表現於穩壓器電荷輸出的均衡，避免了電荷傳輸混亂而引起電路故障，裝置充電、放電的靈活性較強，如圖2. -
超級電容器 新型儲能裝置
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超級電容器參數測試與特性研究
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