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          技術專題:蛋殼膜提高超級電容器性能
          • 作者:網絡轉載
          • 點擊數:239     發布時間:2013-03-03 16:19:40
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            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。

            碳化雞蛋殼膜的綜合框架結構。這種獨特的結構有利于電子和電解質轉移,這就使這種材料可以理想地進行高功率應用,如用于驅動電動汽車。

            今天的商用超級電容器大多是電雙層電容器(EDLC:electricdoublelayercapacitors),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(carbonnano-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(ZhiLi)說,他是加拿大阿爾伯塔大學(UniversityofAlberta)博士后研究員,屬于大衛?馬丁(DavidMitlin)的研究小組。“有了給定的電位窗(potentialwindow),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》(AdvancedEnergyMaterials)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》(CarbonizedChickenEggshellMembraneswith3DArchitecturesasHigh-PerformanceElectrodeMaterialsforSupercapacitors),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221m2g?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297Fg?1和284Fg?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4Ag?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纜target="_blank">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》(EggshellMembraneTemplatingofHierarchicallyOrderedMacroporousNetworksComposedofTiO2Tubes)。在這項新的研究中,加拿大研究人員碳化蛋殼膜(CESM:carbonizedeggshellmembranes),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。

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