如何儲存更多的電能？多項成果推動超級電容發(fā)展
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】隨著石油資源的日益短缺以及排放污染的漸趨嚴重，以燃料電池汽車為代表的電動汽車正受到愈來愈廣泛地關注。但由于質子交換膜燃料電池存在動態(tài)響應慢、成本高昂、冷啟動性能差以及耐久性較差等缺點，使得純燃料電池汽車的商業(yè)化發(fā)展受到限制。這對供能系統(tǒng)提出了新的要求，因此急需開發(fā)新型、高效的儲能器件與之匹配。
超級電容是一種在電容器和電池這兩種能量儲存器件 的基礎之上發(fā)展起來的一種新型儲能設備。超級電容器的比容量和能量密度遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的電容器，能量密度優(yōu)于電池，具有快速充電、使用壽命長、電容器工作溫度范圍廣、放置時間長、無需維護和環(huán)境保護等優(yōu)點。
在電池中，電化學反應發(fā)生在整個電極材料中，而在超級電容器中，只有電極-電解質界面才會產生電荷的累積并形成雙電層，即為兩個電容器的串聯(lián)。并且由于電極板間距很小且界面很薄，電極通常會選用比表面積較大的多孔材料，因此其能量密度和比電容遠大于普通的電容器。相比于傳統(tǒng)電池，超級電容在放電時不涉及電極材料間緩慢的離子/電子傳導， 因此又具有高的功率密度和長的循環(huán)使用壽命。
目前研究的超級電容器材料主要包括以碳基材料為主的雙電層電容材料和以過渡金屬氧化物為主的贗電容材料，還包括一些兩者的復合材料及導電聚合物。活性炭是目前最常用的商用超級電容器材料，其比容量與所用的電解液關系很大。
如今，超級電容由于功率密度大、充放電速度快、使用壽命長、工作溫度范圍廣等優(yōu)點在新能源領域有著重要的應用。微電網(wǎng)、新能源汽車、風力發(fā)電等領域都離不開超級電容器這種儲能技術。
蘭州大學物理學院柔性電子科研團隊在蘭偉教授的帶領下，針對體內植入特殊應用場景，全部選用生物可降解材料，通過構建異質結和利用凝膠電解質的離子限域效應，獲得電化學性能優(yōu)異的鋅離子混合超級電容器，將其作為生物可降解能源系統(tǒng)的電能儲存模塊。雖然超級電容器每單位體積存儲的能量比鋰電池少，但它們具有高功率密度，因此可以始終如一地提供大量能量。
除此之外，科學家們還在不斷更新迭代超級電容，使其儲能更進一步。美國橡樹嶺國家實驗室研究人員創(chuàng)造了一種具有增強的物理化學和電化學性質的炭材料，將炭基超級電容的儲能界限推向了新的水平。
商用超級電容有兩個電極，即一個陽極和一個陰極，它們是分開的，并浸泡在電解液中。在電解液和炭之間的界面上，雙電層可逆地分離電荷。制造超級電容電極的首選材料是多孔炭。這些孔為存儲靜電電荷提供了很大的表面積。
研究人員利用機器建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型，并用其預測，如果炭與氧和氮摻雜，炭電極的最高電容將達到每克570法拉。于是，他們設計了一種非常多孔的摻雜炭，它可為界面電化學反應提供巨大的表面積。隨后，他們合成了一種用于儲存和傳輸電荷的新材料——富氧炭框架。
合成材料的電容為每克611法拉，是典型商業(yè)材料的4倍。這種材料的表面積是有記錄以來最高的炭基材料之一，每克重量的表面積超過4000平方米。這是有記錄以來多孔炭的最高存儲容量，是一個“真正的里程碑”。用這種新材料制造的超級電容器可儲存更多的能量，從而改善再生制動系統(tǒng)、電力電子設備和輔助電源。該項研究有可能加速超級電容用炭材料的開發(fā)和優(yōu)化。
雖然超級電容并不像電池那樣可以創(chuàng)造能源，但其可以通過多種途徑來收集能源并加以利用，比如從電池、車的再制動系統(tǒng)、風電廠的風力渦輪機中收集能量。同時，我們也可以相信，在未來的儲能技術中，超級電容與電池之間的結合將會越來越好。
(資料參考來源：科技日報)
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