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如何储存更多的电能？多项成果推动超级电容发展
2023年12月01日 16:48:04
来源：化工仪器网 作者：羊舌木 点击量：10790
虽然超级电容并不像电池那样可以创造能源，但其可以通过多种途径来收集能源并加以利用，比如从电池、车的再制动系统、风电厂的风力涡轮机中收集能量。
【化工仪器网 项目成果】随着石油资源的日益短缺以及排放污染的渐趋严重，以燃料电池汽车为代表的电动汽车正受到愈来愈广泛地关注。但由于质子交换膜燃料电池存在动态响应慢、成本高昂、冷启动性能差以及耐久性较差等缺点，使得纯燃料电池汽车的商业化发展受到限制。这对供能系统提出了新的要求，因此急需开发新型、高效的储能器件与之匹配。
超级电容是一种在电容器和电池这两种能量储存器件 的基础之上发展起来的一种新型储能设备。超级电容器的比容量和能量密度远远优于传统的电容器，能量密度优于电池，具有快速充电、使用寿命长、电容器工作温度范围广、放置时间长、无需维护和环境保护等优点。
在电池中，电化学反应发生在整个电极材料中，而在超级电容器中，只有电极-电解质界面才会产生电荷的累积并形成双电层，即为两个电容器的串联。并且由于电极板间距很小且界面很薄，电极通常会选用比表面积较大的多孔材料，因此其能量密度和比电容远大于普通的电容器。相比于传统电池，超级电容在放电时不涉及电极材料间缓慢的离子/电子传导， 因此又具有高的功率密度和长的循环使用寿命。
目前研究的超级电容器材料主要包括以碳基材料为主的双电层电容材料和以过渡金属氧化物为主的赝电容材料，还包括一些两者的复合材料及导电聚合物。活性炭是目前最常用的商用超级电容器材料，其比容量与所用的电解液关系很大。
如今，超级电容由于功率密度大、充放电速度快、使用寿命长、工作温度范围广等优点在新能源领域有着重要的应用。微电网、新能源汽车、风力发电等领域都离不开超级电容器这种储能技术。
兰州大学物理学院柔性电子科研团队在兰伟教授的带领下，针对体内植入特殊应用场景，全部选用生物可降解材料，通过构建异质结和利用凝胶电解质的离子限域效应，获得电化学性能优异的锌离子混合超级电容器，将其作为生物可降解能源系统的电能储存模块。虽然超级电容器每单位体积存储的能量比锂电池少，但它们具有高功率密度，因此可以始终如一地提供大量能量。
除此之外，科学家们还在不断更新迭代超级电容，使其储能更进一步。美国橡树岭国家实验室研究人员创造了一种具有增强的物理化学和电化学性质的炭材料，将炭基超级电容的储能界限推向了新的水平。
商用超级电容有两个电极，即一个阳极和一个阴极，它们是分开的，并浸泡在电解液中。在电解液和炭之间的界面上，双电层可逆地分离电荷。制造超级电容电极的首选材料是多孔炭。这些孔为存储静电电荷提供了很大的表面积。
研究人员利用机器建立人工神经网络模型，并用其预测，如果炭与氧和氮掺杂，炭电极的最高电容将达到每克570法拉。于是，他们设计了一种非常多孔的掺杂炭，它可为界面电化学反应提供巨大的表面积。随后，他们合成了一种用于储存和传输电荷的新材料——富氧炭框架。
合成材料的电容为每克611法拉，是典型商业材料的4倍。这种材料的表面积是有记录以来最高的炭基材料之一，每克重量的表面积超过4000平方米。这是有记录以来多孔炭的最高存储容量，是一个“真正的里程碑”。用这种新材料制造的超级电容器可储存更多的能量，从而改善再生制动系统、电力电子设备和辅助电源。该项研究有可能加速超级电容用炭材料的开发和优化。
虽然超级电容并不像电池那样可以创造能源，但其可以通过多种途径来收集能源并加以利用，比如从电池、车的再制动系统、风电厂的风力涡轮机中收集能量。同时，我们也可以相信，在未来的储能技术中，超级电容与电池之间的结合将会越来越好。
(资料参考来源：科技日报)
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