储能技术

榴莲做超级电容?科学家表示这是绝好的天然超级电容材料

2020-03-12 13:30:56 知了一些科技

说起榴莲,人们第一印象是它那特别的味道。榴莲似乎和超级电容完全搭不上边。但是来自澳大利亚悉尼大学的科学家已经成功创建了一种低成本的利用榴莲和菠萝蜜的废料为超级电容器构建电极的方案。

制造超级电容器时,科学家通常依赖于多种碳基材料作为电极:例如活性炭,碳纳米管和石墨烯片。最好使用具有高孔隙率的材料,因为它们有助于使电解质通过电极扩散并使表面积最大化。

2010年的一篇论文发现,基于气凝胶的电极在最大化电容方面甚至优于标准碳材料。气凝胶含有99.8%的空气,是已知最轻的固体材料。1931年,塞缪尔·基斯勒(Samuel Kistler)和查尔斯(Charles Learned)打赌谁能最好地用气体代替“果冻”中的所有液体,结果他们第一次合成了这种凝胶。诀窍是超临界干燥,保持原始凝胶的结构。碳基气凝胶出现于20世纪80年代,由于其重量极轻,具有优异的隔热性能,因此受到美国宇航局(NASA)等机构的青睐。

但是这些先进的材料也很昂贵,在用气凝胶制作电极时,引发了使用有机废物(如柚皮、纸浆和西瓜)作为前体材料的兴趣。这些废物可以简单地冷冻干燥以除去水分,同时仍然保留了形成良好气凝胶的层次结构。

榴莲不可食用的海绵状核心被证明是制造生物气凝胶的理想材料。

首先,科学家精选那些具有非常多孔和具有大表面积的榴莲和菠萝果。他们从澳大利亚的一棵树上摘下菠萝果,在当地的一个市场上购买榴莲,然后从每一块水果上取芯样,用去离子水冲洗掉所有的污垢和碎片。

接下来,他们将水果废料转化成碳气凝胶。将样品放入聚四氟乙烯高压釜中,在180摄氏度下加热10小时,在夜间冷却,然后对样品进行漂洗和冻干。为了使冻干的样品碳化,他们在800摄氏度的炉子里加热一小时,得到“黑色、多孔、超轻的气凝胶”。

粉末状榴莲碳气凝胶(DCA)侧壁(A),横截面(B)和顶部轮廓(C)的SEM图像; EDS元素映射为:碳(D),氧(E),氮(F)和氯(G)

菠萝蜜碳气凝胶(JCA)侧壁(A),横截面(B)和顶部轮廓(C)的SEM图像; EDS元素映射为:碳(D),氧(E),氮(F)和氯(G)。

最后,澳大利亚的研究小组使用这些气凝胶来制造电极,然后对它们进行测试,以评估它们储存能量的能力。榴莲和菠萝蜜废料都产生了具有优异储能性能的气凝胶。榴莲基气凝胶的性能略优于菠萝蜜气凝胶,这是因为榴莲基碳气凝胶的孔隙率和表面积比菠萝蜜基气凝胶大得多。然而,两者都提供了与当前用于储能的活性炭超级电容器相当(且更便宜)的替代品。


图(A)DCA和JCA电极的奈奎斯特图(插图:电化学等效电路,其中Rs,Rct,Zw和C dl分别代表组合电阻,电荷转移电阻,Warburg阻抗和恒定相位元素);图(B)DCA在10,000个充放电周期内的比电容变化(10,000个周期内的最后十个充放电曲线周期);图(C)JCA在10,000个充放电周期内的比电容变化(10,000个周期内的最后十个充放电曲线周期)。

科学家表示必须尽快发现和生产方法来创建和使用可持续来源的材料不导致全球变暖的储存能量。面对这种情况以及世界上矿物燃料的迅速消耗,天然来源的超级电容器正在引领开发高效储能设备的道路。

不过未来这种替代方案大规模应用,我们还吃得起榴莲菠萝蜜吗?

资料来源:DOI: Journal of Energy Storage, 2020. 10.1016/j.est.2019.101152


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