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超級(jí)電容器勢(shì)起,汽車(chē)領(lǐng)域初顯崢嶸

發(fā)布時(shí)間:2014-07-13 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】作為一種新型儲(chǔ)能裝置,超級(jí)電容器具有輸出功率高、充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、安全且無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),有望成為本世紀(jì)新型的綠色電源。傳統(tǒng)的超級(jí)電容器體積較大,不能適應(yīng)微型設(shè)備對(duì)于儲(chǔ)能器件體積較小的要求。因此,高性能微型超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)與制備,以及在微型系統(tǒng)中作為能量存儲(chǔ)單元的應(yīng)用是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。
 
神奇的“超級(jí)電容器”
 
超級(jí)電容器,也稱(chēng)電化學(xué)電容器,是基于高比表面積炭電極/電解液界面產(chǎn)生的雙電層電容,或者基于過(guò)渡金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔锏谋砻婕绑w相所發(fā)生的氧化還原反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存。其構(gòu)造和電池類(lèi)似,主要包括正負(fù)電極、電解液、隔膜和集流體。
 
作為一種新型儲(chǔ)能裝置,超級(jí)電容器具有輸出功率高、充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、安全且無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),有望成為本世紀(jì)新型的綠色電源。傳統(tǒng)的超級(jí)電容器體積較大,不能適應(yīng)微型設(shè)備對(duì)于儲(chǔ)能器件體積較小的要求。因此,高性能微型超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)與制備,以及在微型系統(tǒng)中作為能量存儲(chǔ)單元的應(yīng)用是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。
 
眾所周知,電極材料是超級(jí)電容器的關(guān)鍵所在,它決定著電容器的主要性能指標(biāo),如能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性等。截至目前,納米結(jié)構(gòu)的活性炭、碳化物轉(zhuǎn)化炭、碳納米管、炭洋蔥、氧化釕、聚苯胺和聚吡咯等已經(jīng)被用于微型超級(jí)電容器的電極材料,然而,它們的性能指標(biāo)很難滿(mǎn)足不斷發(fā)展的微型能源系統(tǒng)的實(shí)際使用要求。而且,制造微型超級(jí)電容器電極需要復(fù)雜的光刻工藝,條件苛刻、周期長(zhǎng),因此很難降低產(chǎn)品的成本及價(jià)格,從而阻礙了其商業(yè)化前景。
 
由一層碳原子呈蜂窩狀有序排列而構(gòu)成的石墨烯已經(jīng)被證明是一種新型且高效的超級(jí)電容器電極材料。近日,美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校工程及應(yīng)用科學(xué)學(xué)院理查德·卡奈爾教授研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了以石墨烯為基礎(chǔ)的新型微型超級(jí)電容器。
 
令人非常興奮的是,該電容器不僅具有小巧的外形,更重要的是可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成充電,其充放電的速度比標(biāo)準(zhǔn)電池快數(shù)百倍甚至上千倍。
 
此外,這種石墨烯基微型超級(jí)電容器還具有極佳的柔性,一般的扭曲不會(huì)影響電容器的性能。更令人驚奇的是,制造這種體積很小的微型超級(jí)電容器并不需要高精尖的設(shè)備器械,利用一臺(tái)普通的家用DVD光雕刻錄機(jī)就可以完成整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。該研究團(tuán)隊(duì)能在不到30分鐘的時(shí)間內(nèi),在一張光盤(pán)上生產(chǎn)出100多個(gè)石墨烯微型超級(jí)電容器,其工藝過(guò)程簡(jiǎn)單,并且所用材料都很廉價(jià)。
 
除了電極材料,該團(tuán)隊(duì)對(duì)電極結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了優(yōu)化和比較。與較為普遍的三明治夾層式石墨烯電極相比,光刻得到的平面石墨烯電極具有更加優(yōu)越的電容性能。而且,相同面積的石墨烯,手指交叉形狀的微型電極數(shù)量越多,電容器的性能就越好。
 
同時(shí),該團(tuán)隊(duì)還首次提出了一種由納米二氧化硅和離子液體混合構(gòu)成的新型固態(tài)電解質(zhì)。與傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)相比,該電解質(zhì)可以數(shù)倍提高電容器的容量及耐用時(shí)間,該方面的性能甚至可以和薄膜型的鋰離子電池相媲美。
 
因此,這種新穎的石墨烯微型電容器有望作為MEMS系統(tǒng)、便攜式電子設(shè)備、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)、柔性顯示器、電子報(bào)紙,及其多種生物體內(nèi)電子設(shè)備的儲(chǔ)能器件得到應(yīng)用。
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汽車(chē)領(lǐng)域初顯崢嶸
 
以電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)雖然具有良好的生態(tài)足跡,但也有許多特性使其無(wú)法成為傳統(tǒng)汽車(chē)最具吸引力的替代方案,例如價(jià)格負(fù)擔(dān)不起、續(xù)航里程太短、充電時(shí)間太長(zhǎng)等。如果能以一種更好的電力儲(chǔ)存方式取代笨重又龐大的電池,就能為電動(dòng)汽車(chē)排除掉這些不太受歡迎的特性。根據(jù)歐洲一項(xiàng)研究計(jì)的結(jié)果顯示,高容量的超級(jí)電容器可望成為一項(xiàng)理想的替代方案。
 
在這項(xiàng)名為“ElectroGraph”的研究計(jì)劃中,來(lái)自研究機(jī)構(gòu)與業(yè)界的十位合作伙伴共同開(kāi)發(fā)出一款比現(xiàn)有超級(jí)電容器具有更高儲(chǔ)存性能的創(chuàng)新超級(jí)電容器。以德國(guó)研究機(jī)構(gòu)Fraunhofer IPA為主導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)們基于這樣的研究前提:電容器容量的增加與電極的可用區(qū)域成正比。因此,研究人員們針對(duì)一種具有前景的納米材料進(jìn)行探索──具有更高表面積/單位體積(m2/g)的石墨烯。實(shí)際上,石墨烯由于具有高達(dá)每克(g)約2,600平方公尺(m2/g)的“內(nèi)部表面積”,使其成為超級(jí)電容器電極的理想材料。此外,石墨烯還具有良好的電流傳導(dǎo)性能。
 
石墨烯是由碳原子的超薄單層晶格所組成,大幅增加了電極表面。電極之間的空間則在離子液體的基礎(chǔ)上以液體電解質(zhì)加以填充。“基于石墨烯的電極結(jié)合離子電解質(zhì),形成了理想的材料組合,”在Fraunhofer主導(dǎo)這項(xiàng)計(jì)劃的Carsten Glanz解釋。
 
事實(shí)上,并不是只有Fraunhofer的研究人員在進(jìn)行這項(xiàng)研究,目前還有幾個(gè)研究計(jì)劃也正深入探討這一研究方向。
 
在斯圖加特的研究人員們選擇了一種特定的方法:透過(guò)讓石墨烯薄層之間以一定距離排列的方式,他們就能夠建立一種制造方法──讓納米材料的理論上可用面積變得實(shí)際可用。這方法避免石墨烯薄層之間彼此相連而導(dǎo)致儲(chǔ)存面積減少,從而影響了可儲(chǔ)存的能量。
超級(jí)電容
根據(jù)Glanz表示,在這項(xiàng)研究中所發(fā)現(xiàn)的電極可提供較目前超級(jí)電容器所用的商用電極更多75%的儲(chǔ)存容量。研究人員們深信,在未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē),電池將會(huì)連接到分布在整部汽車(chē)中的多個(gè)超級(jí)電容器。這些超級(jí)電容器可儲(chǔ)存用于執(zhí)行HVAC 、導(dǎo)航系統(tǒng)或電動(dòng)后視鏡所需的電能,有效地降低電池負(fù)載,以及作為卸除電池的緩沖儲(chǔ)存,特別是當(dāng)馬達(dá)被啟動(dòng)時(shí)。因此,未來(lái)也能能只需較小型的電池即可。
 
研究團(tuán)隊(duì)們開(kāi)發(fā)出一款展示系統(tǒng)──這是一款位于汽車(chē)外部后視鏡中的超級(jí)電容器,它可在調(diào)整汽車(chē)后視鏡時(shí)供電。
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中國(guó)積極參與研究創(chuàng)新
 
近些年,隨著針對(duì)石墨烯這種“萬(wàn)能材料”研究的不斷深入和國(guó)家對(duì)新能源領(lǐng)域的大力支持和投入,一些高校和科研院所,包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、天津大學(xué),中科院物理研究所、金屬研究所、寧波材料所以及蘭州化物所等,都在積極開(kāi)展石墨烯基微型超級(jí)電容器的研究工作。
 
例如,清華大學(xué)科研人員成功制備了具有高倍率特性的三維石墨烯微型超級(jí)電容器,中科院蘭州化物所科研人員在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)具有極好的電容特性,以其為電極材料制備的微型電容器具有極好的倍率特性和頻率響應(yīng)特性。
 
一個(gè)理想的微型超級(jí)電容器應(yīng)該同時(shí)包括高性能的電極材料、與之相匹配的電解液以及科學(xué)合理的電極結(jié)構(gòu)。電極材料方面,炭電極的導(dǎo)電性及循環(huán)穩(wěn)定性好,而金屬氧化物則可以存儲(chǔ)更多的電荷,因此,兩者的有效結(jié)合將會(huì)構(gòu)成非常理想的電極材料。
 
電解液方面,離子液體可以顯著提高電容器器件的工作電壓、充放電持續(xù)時(shí)間以及使用溫度范圍。微型電極結(jié)構(gòu)方面,將電極做成立體三維結(jié)構(gòu)可獲得更大的表面積,有利于負(fù)載更多的電極活性物質(zhì)以及保證活性物質(zhì)的充分利用,從而有利于改善電容器電荷存儲(chǔ)性能。
 
因此,以石墨烯—納米金屬氧化物復(fù)合材料作為電化學(xué)活性材料,輔之以結(jié)構(gòu)合理的三維電極,并選擇合適的離子液體電解液,就有望實(shí)現(xiàn)制備兼具傳統(tǒng)電容器和鋰離子電池雙重優(yōu)勢(shì)的儲(chǔ)能器件,這將會(huì)成為未來(lái)該領(lǐng)域的一個(gè)重要研究發(fā)展方向。
 
此外,繼續(xù)尋求快速有效且成本低廉的微型電極制造技術(shù)、電容器封裝和模塊化技術(shù),以及微型超級(jí)電容器與其他能源器件的耦合技術(shù)等也是未來(lái)的研發(fā)重點(diǎn)。
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