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格拉茨技術大學新發現助力開發環保型超級電容器

2020-10-14 來源:蓋世汽車

與電池類似,超級電容器適用于重復儲存電能。據外媒報道,格拉茨技術大學(Tu Graz)的研究人員提出一種特別安全的可持續性超級電容器。


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 (圖片來源:techxplore)


目前,鋰離子電池技術的主要缺點在于缺乏安全性、可持續性和可回收性,以及原材料(例如鈷)供應有限。在尋找替代電化學儲能系統用于電動出行和存儲可再生能源的過程中,將電池和電容器組合在一起構成的“混合超級電容器”前景頗佳。它的充放電速度與電容器一樣快,并且幾乎可以儲存與傳統電池一樣多的能量。與傳統電池相比,它可以更快、更頻繁地充放電,鋰離子電池的使用壽命只有幾千次,而超級電容器的充電周期約為100萬次。 


這種混合超級電容器的可持續性高,由碳和碘化鈉電解液組成,并帶有正極電池電極和負極超級電容器電極,但是此前并未得到充分開發。格拉茨技術大學的研究人員進行了更為詳細的研究,探討這種超級電容器的電化學儲能工作原理,以及碳電極的納米級孔隙中發生的具體情況。主要研究人員Christian Prehal表示:“我們研究的系統由納米多孔碳電極和碘化鈉電解液組成,也就是鹽水。因此,該系統特別環保、成本效益高、不可燃且易于回收。” 


借助于小角度X射線散射和拉曼光譜,研究人員首次證明,充電時電池電極的碳納米孔中形成固體碘納米顆粒,這些顆粒在放電時再次溶解。Christian Prehal表示:“納米孔中固體碘的填充程度決定了電極中可以存儲多少能量。碘碳電極將所有的化學能儲存在固體碘粒子中,因此其儲能能力可以達到非常高的水平。”這項新基礎知識為開發混合超級電容器或電池電極開辟了道路,使其具有無與倫比的高能量密度和極快的充放電過程。在過去幾年中,研究人員Qamar Abbas已成功對這種混合電容器進行研究和進一步開發。 


經過有針對性的改進,現在混合超級電容器可以作為一種固定電能儲存替代方案使用,而且安全、不易燃、成本低和可持續。例如,對于私人家庭的光伏電池儲能而言,這是很有吸引力的選擇。 


在拉曼光譜中,研究人員利用光與物質相互作用來觀測材料的結構或性質。通過小角度X射線散射(SAXS),可以觀察到電化學反應中的結構變化。這兩種方法都是現場原位操作,即在專門開發的電化學電池的充放電過程中進行現場操作。 


Prehal表示:“在電子顯微鏡和納米分析研究所(FELMI)和格拉茨技術大學軟物質應用實驗室,首次在具有NaI電解液的混合超級電容器上進行現場原位拉曼光譜和現場原位SAXS。為了研究現場原位SAXS,我們開發了一種用于電池和電化學儲能裝置的特殊測量電池。”研究結果表明,現場原位SAXS非常適合在納米尺度上跟蹤超級電容器或電池的結構變化,并且可以在充放電過程中直接操作。因此,這種新的研究方法在電化學儲能領域具有廣闊的應用前景。


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