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2019年02月03日 | 手機(jī)電池不夠用?超級(jí)電容器或?qū)⒁I(lǐng)下一代電池革命

發(fā)布者:jingwen 來(lái)源: 中國(guó)科普博覽關(guān)鍵字:納米  電容器  材料  電極  電荷 手機(jī)看文章 掃描二維碼
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超級(jí)電容器

  超級(jí)電容器,是一種新型的具有遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電容器電容,以及超高儲(chǔ)能密度的電容器。通過(guò)在兩個(gè)隔離的極板上儲(chǔ)存相反電荷,超級(jí)電容器可以儲(chǔ)存大量的能量。與傳統(tǒng)電容器不同,超級(jí)電容器不再使用固態(tài)電介質(zhì),而是使用靜電雙電層電容和電化學(xué)贗電容。靜電雙層電容使用碳材料電極達(dá)到傳導(dǎo)電極和電解液的亥姆霍茲雙層界面上的電荷分離,這種電荷分離在空間上達(dá)到埃的量級(jí)(0.3納米~0.8納米),遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)電容器。

超級(jí)電容器示意圖(圖片來(lái)源:維基百科)

超級(jí)電容器示意圖(圖片來(lái)源:維基百科)

多層電極超級(jí)電容器示意圖(圖片來(lái)源:維基百科)多層電極超級(jí)電容器示意圖(圖片來(lái)源:維基百科)

  電化學(xué)贗電容器使用金屬氧化物和高分子導(dǎo)電聚合物作為電極,借助氧化還原反應(yīng)和電吸附中的感應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)超高的電荷存儲(chǔ),也是超級(jí)電容器的一種。

  更高,更快,更強(qiáng)

  與傳統(tǒng)電池相比,超級(jí)電容器具有更高的功率密度(300W/kg~5000W/kg,約為電池的 5~10 倍)、更快的充放電速度(充電10秒~10分鐘可達(dá)到其額定容量的 95% 以上)以及更多的充放電循環(huán)(深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá) 1~50 萬(wàn)次,也就意味著更長(zhǎng)的使用壽命)、更高的儲(chǔ)電放電效率(大電流能量循環(huán)效率超過(guò) 90%)。

現(xiàn)代生活已經(jīng)離不開電池(圖片來(lái)源:4gifs.com)現(xiàn)代生活已經(jīng)離不開電池(圖片來(lái)源:4gifs.com)

  超級(jí)電容器主要應(yīng)用于需要快速充放電循環(huán)和短期能量存儲(chǔ)的場(chǎng)景,目前已經(jīng)在汽車的啟停系統(tǒng)(減速或短停車時(shí)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容器里再在加速時(shí)電容器放電從而達(dá)到節(jié)油的目的)、超級(jí)電容公交車、城市軌道交通以及物流搬運(yùn)車等領(lǐng)域開啟商用化進(jìn)程。

  同時(shí)在風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、電梯、港口機(jī)械和數(shù)據(jù)中心快速啟動(dòng)、傳統(tǒng)消費(fèi)電子領(lǐng)域如手機(jī)等方面具有較大發(fā)展前景,是未來(lái)儲(chǔ)能器件的重要組成部分。

  這些發(fā)展離不開他們

  超級(jí)電容器的快速發(fā)展離不開這三位卓越科學(xué)家的貢獻(xiàn),他們?cè)谶@一領(lǐng)域浸淫多年,是碳材料研究的先驅(qū),率先提出很多新型碳材料的合成方法并推進(jìn)了這些材料在儲(chǔ)能方面的應(yīng)用。

尤里·高果其(圖片來(lái)源:維基百科)

尤里·高果其(圖片來(lái)源:維基百科)

  尤里·高果其(Yury Gogotsi)是材料化學(xué)領(lǐng)域領(lǐng)先的烏克蘭科學(xué)家,自 2000 年以來(lái)在賓夕法尼亞州費(fèi)城德雷塞爾大學(xué)擔(dān)任材料科學(xué)與工程和納米技術(shù)領(lǐng)域的教授。尤里·高果其科學(xué)團(tuán)隊(duì)在新型碳材料(納米碳管,石墨烯,納米鉆石,介孔碳和洋蔥碳)領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位,多次以先進(jìn)方法制備出具有新奇性質(zhì)的碳材料,并積極探索其在電池和電容器方面的應(yīng)用,使得人類在高儲(chǔ)能密度領(lǐng)域向前邁進(jìn)一大步。

  他與特里斯·西蒙(Patrice Simon)在碳納米材料的結(jié)構(gòu)與電容性質(zhì)的關(guān)系方面的先驅(qū)性的工作使得這一領(lǐng)域獲得突破性進(jìn)展,促進(jìn)超級(jí)電容器等新型儲(chǔ)能器件的產(chǎn)生與發(fā)展。尤里·高果其團(tuán)隊(duì)率先發(fā)現(xiàn)了新型的 Mxenes 材料,這種材料被證明在能量?jī)?chǔ)存以及其他領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用價(jià)值。他們團(tuán)隊(duì)發(fā)展了新的合成多孔材料和低維材料的方法,這些材料包括碳基多孔材料、納米碳管、石墨烯以及各種二維碳化物,他首次提出使用熱液合成法合成碳納米管,并通過(guò)原位電子顯微鏡展示了功能性碳納米管中的水的反常超慢移動(dòng),這些研究大大推動(dòng)了碳納米管領(lǐng)域的發(fā)展。

特里斯·西蒙(圖片來(lái)源:維基百科)

特里斯·西蒙(圖片來(lái)源:維基百科)

  特里斯·西蒙(Patrice·Simon)是法國(guó)圖盧茲的保羅薩巴蒂爾大學(xué)材料科學(xué)領(lǐng)域的教授。他的研究主要集中在電化學(xué)能量?jī)?chǔ)存納米材料的合成方面,包括電化學(xué)電容器鋰離子電池系統(tǒng)。同時(shí)他在超級(jí)電容器的碳多孔材料的研究也有很多貢獻(xiàn),他提出了通過(guò)比較阻抗變化的方法來(lái)計(jì)算電氣系統(tǒng)的老化的方法,發(fā)現(xiàn)了新型碳材料在儲(chǔ)能器件以及雙層電容器期間方面的應(yīng)用。

羅德尼·S·魯奧夫(圖片來(lái)源:維基百科)

羅德尼·S·魯奧夫(圖片來(lái)源:維基百科)

  羅德尼·S·魯奧夫(Rodney S。 Ruoff)是美國(guó)物理化學(xué)家和納米科學(xué)家,目前在韓國(guó)(國(guó)立)蔚山科學(xué)技術(shù)院擔(dān)任特聘教授。他和他的研究團(tuán)隊(duì)的工作促進(jìn)了人類在新型碳納米材料方面的理解。他是碳納米結(jié)構(gòu)諸如富勒烯、碳納米管、石墨烯等方面的世界級(jí)專家之一。他和 A。 L。 Ruoff在富勒烯在高壓下的力學(xué)響應(yīng)上的預(yù)測(cè)工作以及他和合作者在 C60在不同溶液系統(tǒng)中的溶解現(xiàn)象的工作闡明了閉合殼層碳結(jié)構(gòu)的新奇性質(zhì)。他也合作發(fā)展了新的用于測(cè)量單壁碳納米管束的力學(xué)響應(yīng)的原位力學(xué)檢測(cè)技術(shù)。

  他的團(tuán)隊(duì)于 2008 年首次使用石墨烯作為超級(jí)電容器的電極材料,最近,他們還報(bào)道了一種新的超高比表面積負(fù)曲率碳材料和原子層厚度的碳多孔材料(孔徑從 0.6 納米到 5 納米)。根本他們的研究表明,這種多孔碳是一種非常理想的雙層超級(jí)電容器電極材料。


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