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同步辐射:超级电池超大容量

同步辐射:超级电池超大容量

超级电容

超级电容器,也称为电化学电容器,是一种重要且有前途的储能装置,因为它比大多数电池充电和放电速度更快,寿命更长,并且比传统电容器的寿命更长。因此,超级电容器在过去十年中受到了极大的关注。根据储能机制的不同,超级电容器可分为双电层电容器、赝电容器和混合超级电容器电池或超级电池三类。

赝电容器利用电极活性物质在电解液中的氧化还原电化学反应来储存能量。由于涉及整个活性物质的法拉第电荷转移,单位电极面积的电容值远高于双电层电容器,电极活性物质必须进行大量、快速、连续、可逆的电化学反应在一定的工作电位范围内。因此,具有多种可切换的化学态或化合价是对电极材料的基本要求。

超级电池是结合伪电容器的部分特性的法拉第电荷转移作为能量源,以及双电层电容器的部分特性的库仑静电力作为电源的一种较新的储能装置。

超级电容器的应用范围相当广泛,包括在电动汽车上与电池组成复合动力系统,弥补电池电量不足的缺点;作为3C或医疗产品的大功率供电系统;作为备用电源存储系统;作为内存保护装置;作为可穿戴电子设备等。

过渡金属氧化物电极材料如氧化锰、氧化铜、氧化钒、氧化镍等,不仅可以应用于锂离子电池电极材料,具有优异的储能性能,还可以扩展到电容器电极材料,不仅使电容器更便宜,其性能大大提高,更重要的是,它们更环保。

2009年全球超级电容器市场规模已超过2.75亿美元,并以近年21.4%的年均增长率持续增长。近年来,为满足人们对便携式或可穿戴电子产品的需求,超级电容器的应用迅速增长,如手机、可穿戴电子设备、柔性显示器等。

超级电池新突破

美国范德比尔特大学Cary Pint教授的研究团队最近设计出一种新型混合材料,结合了电容器和电池的优点,非常适合制作手机或移动设备外壳等3C产品,是还有一个超级电池(混合型电容电池)。它的行为类似于电容器,可以保持超长的充放电生命周期,可以储存和提供与目前锂离子电池相当的能量。虽然能量密度仍低于锂离子电池,但设计更大的外壳足以弥补能量的不足。更重要的是,这种设计还能节省传统电池所占用的空间,有利于产品轻薄化。

此外,品特教授还期望这种超级电池材料能够用于各种类型的建筑结构,例如房屋的外墙和侧(内)墙,以及飞机和汽车的底盘。通过将这种电池材料变成一种结构材料,一种具有与传统结构材料相同的承重耐久性的储能装置,这种储能系统的使用寿命也比传统建筑材料更长。研究这项技术的主要目的是开发可以集成到房屋中的储能材料,从而提高屋顶太阳能电池的经济价值,实现分布式电网系统。

Cary Pint教授的研究团队研发的超级电池虽然目前只能储存约1/10的锂离子电池能量,但其数量和尺寸都可以作为结构材料来弥补,更重要的是,他们的寿命比。电池长 1,000 倍,非常适合移动设备、汽车、飞机和房屋结构。

虽然存储能量应该是最重要的指标,但存储能量减少 10 倍和使用次数增加 1,000 倍意味着在系统的整个生命周期内可以存储的能量增加 100 倍。因此,这些超级电池更适合结构应用。如果储能材料失效,需要每隔几年更换一次,那么开发这种材料来建造房屋、汽车或飞机就没有意义了。

斯坦福大学教授的研究团队还结合超级电容器和锂电池技术,开发了服装电池和纸电池。衣服已经成为一种轻便的新能源储存介质,可以充电或结合太阳能技术储存电能。就像将储能装置穿在身上一样,纸电池的出现有望成为一种轻薄、高效的储能装置。美国斯坦福大学教授表示,研究团队一直在设计如何将纳米技术应用到生活中,而服装电池和纸电池就是纳米技术的简单生活应用。

衣服电池的原理是将衣服的布料(纤维)浸泡在含有碳纳米管的墨水中,碳纳米管会附着在衣服的纤维上,具有储存电荷的能力。这项技术也可以应用于其他棉质或聚合物纤维衣服,让衣服具备储存电荷的能力。同时,这种设计的应用可以非常多样化,例如电子显示器可以安装在衣服上,或者衣服可以用来给手机等电子产品充电。这种服装电池在储能和充电寿命方面与传统电池表现大致相同。

斯坦福大学教授的研究团队也在开发具有太阳能充电功能的服装电池。相信由于服装电池的应用技术并不难,而且材料和成本也不会太高,应该会在几年内实现商业化。

衣服电池穿在身上有没有污染或安全问题?研究团队表示,服装电池会有特殊的组合包装,不会对使用者的身体造成危险。

至于纸电池,它是一种可充电的二次电池,不同于目前以色列和芬兰引进的纸电池,都是一次电池。美国斯坦福大学教授表示,该团队研发的纸质电池不仅可以用于移动电子设备和可穿戴电子设备,还可以用于各种需要瞬间大容量供电的电子设备。据研究团队测试,这种纸质电池可反复充放电高达4万次,是传统锂离子电池的10倍。

纸电池的原理是将含有碳纳米管和银纳米线的特殊墨水溶液作为涂层涂在纸上。涂层会形成一维结构的薄膜,附着在纤维纸的表面。它将成为一种高导电的储能元件,导电纸可分别作为集流体和电极,组装成低成本、轻便、高效的纸质电池。

现有的电池和电容器等低成本、高效率的储能设备非常需要。然而,由于电池重量大且寿命短,在开发电动汽车和电动卡车市场方面存在重大障碍。现在有了薄纸电池,不仅可以用在电动汽车或混合动力汽车上,还能使电子产品更轻、使用寿命更长。未来纸质电子产品可以得到进一步发展。由于纸电池成本非常低,它们也非常适合用于电网储能。

近年来,由于电子邮件和电子书等在线电子媒体的出现,纸质印刷品逐渐失势,几近消失的边缘。现在纸电池的发明为各种电子设备供电提供了契机。

同步辐射技术应用

随着人们对能源问题的日益重视,各种储能电池材料不断被研发。研究重点普遍集中在其纳米结构的设计和改进上,缺乏对实际充放电过程中电池电极与电解液之间所涉及的储能机制的探讨。特别是在超级电池中,目前只有少量的锰氧化物。水溶液和非水溶液等电解质中氧化铜相关材料的讨论。只有充分了解充放电过程中的储能机理,才能找到最合适的储能电极和电解质材料组合,使电池达到最佳性能。

探索充放电过程的储能反应和机理,往往需要对电解液进行现场测试。国家同步辐射研究中心的多台研究设备都满足这一条件。利用透射X射线显微镜可以即时观察储能电极材料在充放电过程中是否有明显的膨胀反应。充放电过程中过度膨胀容易造成储能材料的脆化和脱离,影响电池的性能和使用寿命。X射线衍射可以用来了解材料在充放电过程中的晶相变化,有助于了解这些材料是否可逆。

此外,利用同步辐射X射线吸收光谱技术,配合自建实验模块,可即时观察储能电极材料在充放电过程中的电荷转移和价态变化。从实验过程可以发现,当材料的价态变化或电荷转移越明显时,材料的储能性能越好。这一发现有助于选择最合适的氧化物价态和金属氧化物作为储能材料,并推导出合理的储能(电荷转移)机制。同时,这个模块可以用来了解材料的稳定性,甚至可以建立一套可以预测电池使用寿命的程序,

在全球能源枯竭的情况下,开发高效储能电池是解决方案之一。随着材料工程和技术的飞速发展,或许在未来几年内,各种布制电池、纸质电池都可以成为日常生活中随处可见的超级电池。

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