研究人員探索改進(jìn)超級(jí)電容器的新材料和方法

超級(jí)電容器（也稱為超級(jí)電容器）與電池類似地儲(chǔ)存能量。但是，它們分配電力的速度非?？欤皇切枰獢?shù)小時(shí)。作為高功率密度儲(chǔ)能系統(tǒng)，它們可以很好地用作短期電源，例如用于關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的備用發(fā)電機(jī)。這些選項(xiàng)還可以滿足筆記本電腦和相機(jī)等設(shè)備中波動(dòng)的能源需求，或?yàn)槟芰渴占纱┐髟O(shè)備提供存儲(chǔ)功能。

電池提供比超級(jí)電容器相對更穩(wěn)定和更持久的能源，因此后者不會(huì)在此類應(yīng)用中取代它們。但是，有機(jī)會(huì)使用這兩種技術(shù)來解決特定的限制和挑戰(zhàn)。

以下是研究人員如何探索新材料和改進(jìn)超級(jí)電容器的方法，以填補(bǔ)更傳統(tǒng)電源留下的空白。

制造超級(jí)電容器的環(huán)保選擇

智能手表和健身追蹤器等流行的電子產(chǎn)品通常包含超級(jí)電容器，通過支持需要快速能量爆發(fā)的組件來支持電池滿足峰值功率需求。智能手機(jī)相機(jī)閃光燈就是很好的例子。

然而，在超級(jí)電容器電極中制造活性炭的典型過程既費(fèi)時(shí)又費(fèi)能。一位研究人員正在利用食物垃圾制造智能手機(jī)超級(jí)電容器。

這項(xiàng)工作的重點(diǎn)是在超級(jí)電容器電極中使用山竹果皮作為活性炭，這些電極儲(chǔ)存電荷。研究人員開發(fā)了一種干燥它們的方法，在沒有氧氣的情況下加熱水果殘?jiān)?，并使用化學(xué)品將它們變成所需的格式。山竹的外部含有高達(dá) 45% 的富碳化合物，使其成為未來超級(jí)電容器的可行候選者。

制造活性炭的典型過程更耗時(shí)，但這種方法消除了 5 小時(shí)的加熱階段，使用更少的能源，使其對那些考慮商業(yè)采用的人更具吸引力。據(jù)估計(jì)，人們可以用大約 5 磅的山竹果皮制作數(shù)百個(gè)超級(jí)電容器。

制造業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者可能希望探索這種替代方案，尤其是在努力實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)時(shí)。它還可能向利益相關(guān)者表明，他們對積極、環(huán)保的流程變革真正感興趣。鋰離子電池的一個(gè)經(jīng)常被討論的缺點(diǎn)是，一旦它們不再可用，只有不到 1% 的鋰被回收利用。為智能手機(jī)制造超級(jí)電容器可以讓生產(chǎn)商通過一種減少浪費(fèi)的環(huán)保創(chuàng)新來繞過這一缺點(diǎn)。

在幾秒鐘內(nèi)為電池充電，而不是幾小時(shí)

盡管大多數(shù)人都欣賞電池供電產(chǎn)品的便攜性，但他們認(rèn)為充電所需的時(shí)間是一個(gè)明顯的缺點(diǎn)。在這段時(shí)間內(nèi)找到可用的電源插座并不總是可能的。超級(jí)電容器能幫忙嗎？與傳統(tǒng)電池相比，它們具有相對更高的功率密度，并且充電速度更快，因此可能使其更方便地安裝在常用設(shè)備中。

鉛酸電池也需要數(shù)小時(shí)才能充電，行業(yè)估計(jì)在 5 到 14 小時(shí)之間。為超級(jí)電容器充電需要 30 秒或更短時(shí)間。在同一應(yīng)用中使用兩者可以消除縮短電池可用性和整體使用壽命的直接能源需求。

一位研究人員利用他的化學(xué)工程背景來改進(jìn)儲(chǔ)能設(shè)備，例如電子產(chǎn)品和汽車中的電源。他認(rèn)識(shí)到速度是超級(jí)電容器的主要吸引力，特別是如果它們可以實(shí)現(xiàn)更快的充電并加速能量釋放。

他的工作更清楚地揭示了帶電離子的活動(dòng)，這些離子在數(shù)千個(gè)相互連接的孔隙網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)。使超級(jí)電容器的表面多孔會(huì)增加其電容，并了解相關(guān)的離子運(yùn)動(dòng)可以幫助工程師控制超級(jí)電容器的充電和放電速率。這些知識(shí)可能會(huì)產(chǎn)生更好的設(shè)備，讓人們可以在幾分鐘內(nèi)為未來的筆記本電腦、手機(jī)和電動(dòng)汽車充電。

這位研究人員和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種離子運(yùn)動(dòng)的模擬和預(yù)測方法，該方法可以在幾分鐘內(nèi)工作，有可能進(jìn)一步推動(dòng)超級(jí)電容器在常見設(shè)備中的可能性。

用樹膠防止超級(jí)電容器退化

電池退化是由于反復(fù)充電循環(huán)而發(fā)生的，這就是為什么人們注意到從平板電腦到無線耳塞的各種產(chǎn)品隨著時(shí)間的推移逐漸不會(huì)持續(xù)很長時(shí)間。減少此問題的一種廣泛建議的解決方案是在使用過程中將設(shè)備的電池充電保持在 20% 到 80% 之間。然而，這并不總是一個(gè)選項(xiàng)，這使得相關(guān)方渴望尋找其他可能性。

超級(jí)電容器也面臨退化問題。來自三所大學(xué)的科學(xué)家合作研究了一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，表明來自印度的樹膠可以防止超級(jí)電容器降解。這種樹膠來自樹皮，通常是一種廢品，是該團(tuán)隊(duì)添加到超級(jí)電容器的酸性電解質(zhì)中以形成保護(hù)層的海綿狀生物聚合物中的重要成分。

實(shí)驗(yàn)室測試表明，添加可減緩電極降解，而不會(huì)限制超級(jí)電容器的離子傳輸過程進(jìn)行充電和放電。該小組還進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以了解超級(jí)電容器在有和沒有生物聚合物的情況下在數(shù)萬次循環(huán)中的表現(xiàn)。

30,000 次充電循環(huán)后的結(jié)果顯示，使用電極保護(hù)劑后，超級(jí)電容器保留了 93% 的總能量容量。然而，在沒有生物聚合物的超級(jí)電容器中，它下降到 58%。研究人員還解釋說，這種樹膠幾乎沒有實(shí)際應(yīng)用，政府官員很難丟棄。

研究人員的實(shí)驗(yàn)室測試還表明，含有這種生物聚合物的超級(jí)電容器可以使用長達(dá) 80 年。

這種新方法可以解決這些可持續(xù)性問題，同時(shí)提高超級(jí)電容器的性能并增加在電子設(shè)備和電動(dòng)汽車中的采用潛力。它還可以減少因重復(fù)充電循環(huán)而失去效率的設(shè)備產(chǎn)生的電子垃圾。此外，電極添加劑是可回收和可生物降解的，支持可持續(xù)性。

將超級(jí)電容器定位為問題解決者

這些示例表明，如果與電池一起使用，超級(jí)電容器如何克服與之相關(guān)的許多問題。工程師、產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和其他人最有可能通過分析與傳統(tǒng)電源相關(guān)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)并評(píng)估超級(jí)電容器是否可以幫助克服這些挑戰(zhàn)，從他們的努力中獲得最佳結(jié)果。