榴槤做超級電容?科學家表示這是絕好的天然超級電容材料

2020-12-04 全國能源信息平臺

【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】

北極星儲能網訊:說起榴槤，人們第一印象是它那特別的味道。榴槤似乎和超級電容完全搭不上邊。但是來自澳大利亞雪梨大學的科學家已經成功創建了一種低成本的利用榴槤和菠蘿蜜的廢料為超級電容器構建電極的方案。

製造超級電容器時，科學家通常依賴於多種碳基材料作為電極：例如活性炭，碳納米管和石墨烯片。最好使用具有高孔隙率的材料，因為它們有助於使電解質通過電極擴散並使表面積最大化。

2010年的一篇論文發現，基於氣凝膠的電極在最大化電容方面甚至優於標準碳材料。氣凝膠含有99.8%的空氣，是已知最輕的固體材料。1931年，塞繆爾·基斯勒（Samuel Kistler）和查爾斯（Charles Learned）打賭誰能最好地用氣體代替「果凍」中的所有液體，結果他們第一次合成了這種凝膠。訣竅是超臨界乾燥，保持原始凝膠的結構。碳基氣凝膠出現於20世紀80年代，由於其重量極輕，具有優異的隔熱性能，因此受到美國宇航局（NASA）等機構的青睞。

但是這些先進的材料也很昂貴，在用氣凝膠製作電極時，引發了使用有機廢物（如柚皮、紙漿和西瓜）作為前體材料的興趣。這些廢物可以簡單地冷凍乾燥以除去水分，同時仍然保留了形成良好氣凝膠的層次結構。

榴槤不可食用的海綿狀核心被證明是製造生物氣凝膠的理想材料。

首先，科學家精選那些具有非常多孔和具有大表面積的榴槤和菠蘿果。他們從澳大利亞的一棵樹上摘下菠蘿果，在當地的一個市場上購買榴槤，然後從每一塊水果上取芯樣，用去離子水衝洗掉所有的汙垢和碎片。

接下來，他們將水果廢料轉化成碳氣凝膠。將樣品放入聚四氟乙烯高壓釜中，在180攝氏度下加熱10小時，在夜間冷卻，然後對樣品進行漂洗和凍幹。為了使凍幹的樣品碳化，他們在800攝氏度的爐子裡加熱一小時，得到「黑色、多孔、超輕的氣凝膠」。

粉末狀榴槤碳氣凝膠（DCA）側壁（A），橫截面（B）和頂部輪廓（C）的SEM圖像; EDS元素映射為：碳（D），氧（E），氮（F）和氯（G）

菠蘿蜜碳氣凝膠（JCA）側壁（A），橫截面（B）和頂部輪廓（C）的SEM圖像; EDS元素映射為：碳（D），氧（E），氮（F）和氯（G）。

最後，澳大利亞的研究小組使用這些氣凝膠來製造電極，然後對它們進行測試，以評估它們儲存能量的能力。榴槤和菠蘿蜜廢料都產生了具有優異儲能性能的氣凝膠。榴槤基氣凝膠的性能略優於菠蘿蜜氣凝膠，這是因為榴槤基碳氣凝膠的孔隙率和表面積比菠蘿蜜基氣凝膠大得多。然而，兩者都提供了與當前用於儲能的活性炭超級電容器相當（且更便宜）的替代品。

圖（A）DCA和JCA電極的奈奎斯特圖（插圖：電化學等效電路，其中Rs，Rct，Zw和C dl分別代表組合電阻，電荷轉移電阻，Warburg阻抗和恆定相位元素）；圖（B）DCA在10,000個充放電周期內的比電容變化（10,000個周期內的最後十個充放電曲線周期）；圖（C）JCA在10,000個充放電周期內的比電容變化（10,000個周期內的最後十個充放電曲線周期）。

科學家表示必須儘快發現和生產方法來創建和使用可持續來源的材料不導致全球變暖的儲存能量。面對這種情況以及世界上礦物燃料的迅速消耗，天然來源的超級電容器正在引領開發高效儲能設備的道路。

不過未來這種替代方案大規模應用，我們還吃得起榴槤菠蘿蜜嗎?

資料來源：DOI: Journal of Energy Storage, 2020. 10.1016/j.est.2019.101152

原標題:榴槤做超級電容？科學家表示這是絕好的天然超級電容材料

免責聲明：以上內容轉載自北極星電力新聞網，所發內容不代表本平臺立場。全國能源信息平臺聯繫電話：010-65367702，郵箱：hz@people-energy.com.cn，地址：北京市朝陽區金臺西路2號人民日報社

相關焦點

  • 榴槤很臭但有用，澳大利亞科學家製造出高性能超級電容
    擁有水果之王美譽的榴槤，因為氣味過於強烈，評價不是香氣撲鼻、就是臭成生物武器，不過對於科學家來說，或許只要有用處都是好水果，澳洲雪梨大學發現菠蘿蜜和榴槤也是電極原料，可以製成高性能超級電容超級電容是另一種儲能技術，有別於採用電化學儲能的
  • 基於植物纖維的柔性超級電容
    基於植物纖維的柔性超級電容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。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。
  • 超級電容電池原理_超級電容電池續航時間
    超級電容電池原理 　　超級電容器電池又叫雙電層電容器（Electrical Double-Layer Capacitor）是一種新型儲能裝置，它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點。超級電容器用途廣泛。
  • 充電比加油還快 超級電容+鋰電池或將是新能源革命的裡程碑
    文/汽車之家兒時常把電路板上的電容稱作「小電池」，其實，真的有一種電容可以當電池用，這便是超級電容。超級電容具有電池的儲能特性，又有電容的高速充放電特性，如此全面的性能，相信大家會問：為什麼不用到車上？其實，超級電容已經滲透進了汽車產業，只是還需解決實用性的問題。今天，我們就來說說超級電容在汽車領域的應用和前景。
  • 超級電容電池知識全解析
    超級電容的結構類似於平板電容，其電極為多孔碳基材料，該材料的多孔結構使它每克重量的表面積可達幾千平方米，而電容電荷分隔的距離由電解質　中的離子大小決定。巨大的表面積加上電荷間極小的距離，使得超級電容具有很大的容量，超級電容單體的容量可從1法拉至幾千法拉不等。
  • 電子行業:超級電容具備超級前景
    1.雙電層理論：超級電容的工作原理：　　1.1雙電層理論　　超級電容（法拉電容、黃金電容）是利用電子導體活性炭與離子導體有機或無機電解液之間形成感應雙電荷層原理製成的電容器。超級電容器電荷距離遠比傳統電容器介質材料所能實現的距離更小，活性炭電極表面積成數量級增大，使得超級電容較傳統電容器而言有超級大的靜電容量，這也是其超級所在。
  • 電解電容的原理搞清楚,石墨烯做超級電容的價值也就清楚了
    看完電容，我們來看石墨烯：眾所周知，電極材料是超級電容器的關鍵所在，它決定著電容器的主要性能指標，如能量密度、功率密度和循環穩定性等。截至目前，納米結構的活性炭、碳化物轉化炭、碳納米管、炭洋蔥、氧化釕、聚苯胺和聚吡咯等已經被用於微型超級電容器的電極材料，然而，它們的性能指標很難滿足不斷發展的微型能源系統的實際使用要求。而且，製造微型超級電容器電極需要複雜的光刻工藝，條件苛刻、周期長，因此很難降低產品的成本及價格，從而阻礙了其商業化前景。
  • 傳統電池將迎來超級電容的挑戰
    這種新型儲能器件不僅能達到73Wh/kg的能量密度(大約相當於鎳氫電池的能量密度),也比大多只有16kW/kg能量密度的超級電容具有更好的性能。這款新型超級電容的奇妙之處在於結合了不同種的材料,因此,化學家將該超級電容稱為「不對稱電容」。
  • 新型柔性超級電容：綠色環保，快速充電
    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。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。
  • 新型柔性超級電容:綠色環保,快速充電!
    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。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。
  • 超級電容是什麼?超級電容的優點介紹
    小編今天要給大家介紹的是超級電容。超級電容的優點介紹：簡介超級電容，又名電化學電容，雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是從上世紀七、八十年代發展起來的通過極化電解質來儲能的一種電化學元件。它不同於傳統的化學電源，是一種介於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贗電容電荷儲存電能。但在其儲能的過程並不發生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反覆充放電數十萬次。
  • 既可以用作電容又可以用作電池,這就是超級電容
    超級電容，對於在微電子領域可能遇到比較少，但是在汽車領域、UPS不間斷電源等領域遇到比較多，那麼這種超級電容超級之處在於什麼呢？1、超級電容結構特點超級電容器類似於普通電解電容，都有一個正極和一個負極，兩個電極之間有一層隔膜，在正負極和隔膜之間以電解液填充，可看出多孔化電極有更多的表面積去吸附電解液的電荷，因此容量可以達到很大。
  • 超級電容(法拉電容)和實時時鐘
    涓流充電時鐘晶片是一個可編程3線串行接口時鐘晶片，可用超級電容或可充電電池備份系統的時間和日期，還提供31位元組的非易失SRAM用於數據存儲。由DS1302和超級電容構成的電源備份電路，DS1302的VCC2接主電源，VCC1接超級電容正極。
  • 超級電容的原理及應用前景
    在這種單層結構中，增加電介質數量來提高容量通常是可行的，方法有三種，即增加封裝寬度和極板尺寸、增加封裝長度和增加極板距離或這兩種方法的組合。這三種方法都將導致電容器的體積變大，這是增加電容容量必須做出的一種犧牲。
  • 超級電容應用專題介紹(一)
    Q是極板上儲存的電荷，C是電容元件的參數，成為電容，V是極板間電壓。　　因此，用C=Q/V表達電容極板貯存電荷的能力。　　電容量的微分表達式為：C=dQ(t)/dv(t)。」電容超級電容器之所以稱之為「超級」的原因（參考百度百科，不感興趣可以忽略）：1、超級電容器可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近
  • 二維材料MXene油墨:可列印微型超級電容!
    導讀據美國德雷塞爾大學官網近日報導，該校與愛爾蘭聖三一學院研究人員合作利用高度導電的二維材料MXene，創造出噴墨印表機所用的油墨。這種油墨可以任何尺寸和形狀列印柔性能量存儲元件，例如超級電容。由二維納米材料油墨印刷而成的電晶體（圖片來源：都柏林大學聖三一學院）採用石墨烯氧化物導電油墨在紡織品上印刷的柔性超級電容（圖片來源：曼徹斯特大學）通過導電油墨噴墨列印而成的柔性電子器件(圖片來源：密西根州立大學 Chuan Wang)
  • 電動汽車也可以使用超級電容
    目前超級電容器研究和應用較多的是碳材料，包括活性炭、石墨烯、碳納米管、模板碳等。不同碳材料的微觀形貌和理化性質不同，電化學儲能性能有所差別，不同碳材料的比電容不同。下面圖中，展示了不同種類的碳應用到超級電容電極中，實現的能量密度的對比關係。
  • 超級電容與普通電容的特性比較
    超級電容器(supercapacitor)，又叫雙電層電容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黃金電容、法拉電容。它與普通電容的最大區別是它是一種電化學的物理部件，但本身並不進行化學反應，超級電容的儲電量特別大，達到法拉級的電容量。怎麼樣增加兩極板的面積呢?超級電容通過注入電解質來儲能，電解質在電極的作用下，電極表面電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使這些離子附於電極表面上形成雙電荷層，構成雙電層電容。
  • 硫化鈷能用來製作超級電容
    原標題：硫化鈷能用來製作超級電容 　　韓國釜慶大學一個研究團隊近日發現，用乙醇做溶劑製備出的硫化鈷電極，表現出超強的電容特性，可用作超級電容。結果表明，用乙醇做溶劑的硫化鈷電極表現出最好的電容特性。 　　研究人員分析認為，以乙醇為溶劑製備的硫化鈷電極，因乙醇溶劑具有更合適的表面形態，電解液中的離子更容易向電極內部擴散，導電性能增加，從而表現出超級電容的特性。 　　新研究證明，硫化鈷納米粒子在光催化、電催化、分解水和太陽能電池等領域，以及各種儲能設備中將具有廣泛應用前景，是一種製作超級電容的優越陽極材料。
  • 美錦能源突破超級電容壁壘 電容炭國產化指日可待
    在超級電容器關鍵電極材料電容炭方面，我國仍然長期依賴進口。特斯拉的大動作，也讓國內一批率先布局該領域的企業浮出水面。2016年，山西美錦能源股份有限公司（以下簡稱：美錦能源 000723.SZ）就提前布局了這一領域，解決超級電容材料「卡脖子」問題，與中科院山西煤化所攜手開始了技術開發。