新型柔性超級電容:綠色環保,快速充電!

2020-12-05 環球創新智慧

導讀

據美國德克薩斯農工大學官網近日報導，該校研究人員開發出一款基於植物的超級電容。這款超級電容是柔性、輕量、低成本且環境友好的，甚至可以在幾分鐘之內為電動汽車充電。

背景

能量存儲設備通常都是以電池或者超級電容的形式出現。

Nissan Leaf 汽車的鋰離子電池組（圖片來源：維基百科）

列印在紡織品上的石墨烯超級電容（圖片來源：曼徹斯特大學）

儘管兩種設備都可以在需要的時候輸出電流，但它們還是有一些根本性區別。電池可以在單位體積內存儲大量的電荷，而超級電容在短時間內產生大量電流的效率要高得多。這股湧流而出的電流幫助超級電容快速地為設備充電，不像電池那樣需要很久的時間。

超級電容的內部架構與普通電容相同。這些設備都是將電荷存儲在金屬板或者電極上。然而，不同於普通電容，超級電容可以根據用途以不同的尺寸、形狀和設計進行製作。此外，超級電容的電極也可以由不同材料製作而成。

可集成到衣服中的微型超級電容（圖片來源：麻薩諸塞大學安姆斯特分校 / Trisha Andrew）

創新

在一項新研究中，美國德克薩斯農工大學（Texas A&M University）的研究人員描述了一款基於植物的能量存儲設備。在不久的將來，它甚至可以在幾分鐘之內為電動汽車充電。此外，研究人員還表示，他們的設備是柔性、輕量且划算的。

（圖片來源：Getty Images）

機械工程系教授梁宏（音譯：Hong Liang）博士表示：「將生物材料集成到能量存儲設備中一直是個棘手的難題，因為控制它們產生的電氣性能很難，而電氣性能會嚴重影響設備的生命周期和性能。此外，製造生物材料的過程一般都會包括危險的化學處理。我們設計出一款環境友好的能量存儲設備，它具有卓越的電氣性能，製造起來簡單、安全而且成本要低得多。」

這項研究發表在六月份出版的《能量存儲》（Energy Storage）雜誌上。

技術

梁宏及其團隊在他們的研究中被二氧化錳納米顆粒所吸引，設計出兩個超級電容電極中的一個。

梁宏表示：「二氧化錳比較便宜，資源充足，而且比其他過渡金屬氧化物（例如廣泛用於製造電極的釕或鋅的氧化物）安全。但是，二氧化錳的重要缺點就是它的導電率較低。」

之前的研究顯示，木質素（一種將木纖維粘合在一起的天然聚合物）與金屬氧化物一起使用，可提升電極的電化學特性。然而，梁宏表示，之前已經有一些關於將二氧化錳和木質素結合到一起以利用它們各自有用特性的研究。

為了創造他們的電極，梁宏及其團隊用一種稱為「高錳酸鉀」的常用消毒劑來處理經過淨化的木質素。然後，他們施加高溫和高壓引發氧化反應，導致高錳酸鉀分解，二氧化錳沉積到木質素。接下來，他們將木質素和二氧化錳的混合物塗到鋁盤上，形成綠色的電極。最終，研究人員通過將凝膠電解質夾在「木質素-二氧化錳-鋁」電極和另一個由鋁和活性碳製成的電極之間，組裝成超級電容。

通過測試他們新設計的綠色電極，研究人員發現他們的超級電容具有非常穩定的電化學特性。特別是，「比電容」或者說設備存儲電荷的能力，甚至在幾千次充放電循環之後，也幾乎沒有改變。此外，對於最佳的木質素-二氧化錳比例來說，觀察到的比電容可以達到之前其他超級電容所報告的900倍。

綠色超級電容的原型（圖片來源：Hong Liang）

梁宏表示，這些超級電容非常輕而且柔軟。這些特性可以拓展它們的用途，例如用於車輛中的結構儲能元件。

梁宏表示：「在這項研究中，我們已經能夠採用低成本、可持續的方法製造出具有卓越電化學性能的基於植物的超級電容。在不久的未來，我們要通過只含有綠色、可持續的成分使我們的超級電容變得100%環境友好。」

關鍵詞

超級電容、儲能、柔性

參考資料

【1】Swarn Jha, Siddhi Mehta, Yan Chen, Raj Likhari, Weston Stewart, Dilworth Parkinson, Hong Liang. Design and synthesis of high performance flexible and green supercapacitors made of manganesedioxidedecorated alkali lignin. Energy Storage, 2020; DOI: 10.1002/est2.184

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