超電容器或超級電容器日益成為一項關鍵的存儲技術，可用于高能效交通運輸，以及可再生能源。這些設備具有傳統電容器的優勢，可迅速提供高密度電流，滿足需求，也具有電池的優勢，可以儲存大量的電能。
來源：阿爾伯塔大學 今天的商用超級電容器大多是電雙層電容器（EDLC：electric double layer capacitors），能量存儲在間隔很近的兩層，這兩層具有相反的電荷，可提供快速充電/放電率，可維持數百萬個周期。研究者們設計出各種電極材料，以提高這種超級電容器的性能，他們主要集中研究的是多孔碳，因為多孔碳具有高比表面積，可調諧的結構，良好的導電性，而且成本低。近年來，越來越多開始研究各種碳納米材料，如碳納米管，碳納米洋蔥（carbon nano-onions），或石墨烯（graphene）。“理想的超級電容器同時具有高能量密度和高功率密度，”李治（Zhi Li）說，他是加拿大阿爾伯塔大學（University of Alberta）博士后研究員，屬于大衛•馬丁（David Mitlin）的研究小組。“有了給定的電位窗（potential window），能量密度就決定于具體的電容，而功率密度則取決于串聯電阻，這主要產生于電極材料的電阻。高電導率的電極材料是很重要的，這是因為考慮到功率密度。然而，活性碳復雜的微孔結構和無序紋理，會限制電子轉移的效率，形成性能欠佳的超級電容器，在高掃描速度就是這樣。” 有一項新的研究，最近發表在2012年4月刊的《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）上，題為《碳化雞蛋殼膜具有三維架構可制成高性能電極材料用于超級電容器》（Carbonized Chicken Eggshell Membranes with 3D Architectures as High-Performance Electrode Materials for Supercapacitors），第一作者是李治，研究人員證明，一種常見的生活垃圾，就是雞蛋殼膜，可以轉換成高性能碳材料，用于超級電容器。 論文摘要說，超級電容器電極材料的合成，需要碳化一種普通的家畜生物垃圾，就是雞蛋殼膜。碳化的蛋殼膜是一種三維多孔碳薄膜，包含交織相連的碳纖維，其中含有約10％的凈重氧和8％的凈重氮。盡管有相對較低的比表面積，也就是221 m2 g−1，但是，基本電解質和酸性電解質有特殊的具體電容，分別是297 F g−1和284 F g−1，這是采用三電極系統。此外，這種電極表現出良好的循環穩定性：1萬次循環后，只觀察到3％的電容衰落，電流密度為4 A g−1。這些是非常有吸引力的電化學性能，他們研究了相關的獨特結構和材料化學。 “考慮一下，全球每年消耗1萬億顆雞蛋，而且，一顆雞蛋可以提煉30-40毫克成品碳，蛋殼膜確實是一種可靠的可持續資源，可用于清潔能源存儲，”李治說。 已經知道，富含氮的碳性能良好，可用作超級電容器的電極材料。這一研究小組的新發現表明，富含氮的碳具有合適的結構，效果會更好。 “對我來說，最激動人心的發現，是雞蛋殼膜具有驚人的天然結構，這是至關重要的，它的性能可以用作電極材料，只需經過碳化，”李治指出。“為什么？碳化蛋殼膜是一個真正的“集成系統”，包含交織的碳纖維，這些碳纖維直徑在50納米到2微米，大纖維和細小纖維天然連接在一起。” 他回憶說，當他第一次看到這種蛋殼膜的微觀結構時，一幅電網系統圖像立即進入他的腦海：“如果你想象，粗纖維作為長距離的重型電力電纜，連接不同城市，而微小的纖維作為電源線，點亮你房子里的燈泡，那么，你也可以進一步假設，這種碳化蛋殼膜就是一種高效的電子傳輸系統。其實，它正是這樣。碳化蛋殼膜的電阻比沒有這種結構的無序活性碳低20倍。此外，蛋殼膜的多孔系統已證明，可以快速轉移電解質。這些都是至關重要的，可帶來快速充放電的電極材料。” 此前，納米技術研究人員已經采用蛋殼膜的這種獨特的多孔結構，作為模板，合成納米材料，見《蛋殼膜模板制成分層有序多孔網絡包含二氧化鈦管》（Eggshell Membrane Templating of Hierarchically Ordered Macroporous Networks Composed of TiO2 Tubes）。在這項新的研究中，加拿大研究人員碳化蛋殼膜（CESM：carbonized eggshell membranes），獲得一種三維大孔碳薄膜，包含交織相連的碳纖維。 因為有獨特的結構，碳化蛋殼膜可以運行在高負載電流下。這意味著，用它制成的電容器充放電可以更快，超過傳統碳制成的電容器。 “我們發現，因為這種獨特的結構，碳化蛋殼膜的系統電導率提高了一個量級，超過活性碳，這使它成為理想的電極材料，可用于高功率密度的超級電容器，”李治說。 他指出，隨著納米技術的迅速發展，越來越多的神奇材料正在開發出來，都具有新的性能，而且采用創新的新技術。 “碳材料就是一個例子，碳納米管和石墨烯具有高得多的內在電導率，超過我們制作的碳化蛋殼膜，而且，它們都很有希望用作電極材料，”李治說。“不過，最大的挑戰是，如何把這些材料集成到有效的系統中，發揮各種材料的優點，而且消除它們各自的缺點。我相信，這是一個領域，我們可以從大自然學到很多東西。 來源：電子工程網 |
