唧唧堂名校科研介绍2014-07-14 1:47 PM

可承重的超级电容器将你家的墙壁变成超级电源

想象一下未来电气小玩意将不再受插头和外接电源的限制。这种可能性是现今热衷于制造能将电能直接储存于各种大量产品中的原因之一,例如外壳兼作电池的笔记本电脑,或者是能用底盘储存电能的电动汽车,抑或是墙壁能存储供电电能的房子。

范德堡大学机械工程助理教授Cary Pint表示,这些设备表明我们有可能发明可以存储和释放大量电能的材料,并且他们会受限于实际静载荷和动态力,例如振动或冲击。

他和研究生Andrew Westover已于纳米材料与能源设备实验室中创建了小型“晶片”设备。Pint表示Andrew已使结构储能材料构想变为现实。这及其重要因为结构储能将改变一系列未来技术的方式。Pint表示,使系统组成部分储能的技术开启了技术可能性世界的全新之门。一夜之间基于健康,娱乐,旅游和社会通讯的技术设计将不再受限于插头和外部电源。

Pint和Westover已开发的新设备是能通过将带电离子组装于多孔材料表面而蓄电而非类似电池将电能储存于化学反映槽的超级电容器。因此超级电容器可以大大缩短时间分分钟充放电,并能运行上百万次周期,而非像电池一样只能运行数千次循环。

“结构完整性”

在发表于《journal Nano Letters》杂志的研究论文中,Pint和 Westove表明新型结构超级电容器能完美充放电,并能承受达44psi的应力或压力以及超过80g的振动加速度(显著大于喷气发动机用涡轮叶片)。

此外该装置的机械坚固性不会损害其储能能力。 Pint表示,在未包装的结构化整合的状态下,该超级电容器可以比已包装现货的商用超级电容器储存更多能量,并能在更高的电压下运作,甚至即使是在强烈的动态力和静态力之下。

超级电容器不如电池的地方则是蓄电能力:如果想要储存相同电量,超级电容器肯定会比锂离子电池更巨大笨重。但当考虑到多功能能量存储系统时,这种差异就显得不那么重要了。

Pint.表示,当把储能性能结合到需要结构完整性的重型材料中时,电池性能指标将发生变化。超级电容器只是当前锂离子电池储存能量的1/10,但它的电力持续能力可以维持一千倍以上,这意味着它们更适合结构化应用。因为为住家,汽车底盘,或者航空航天器开发每隔几年就因电力耗尽需要替换的材料没有任何意义。

聚合物“三明治”

Westover的“晶片”包括由硅制成的电极,采用的硅已经化学处理,因而他们的内表面含有纳米级微孔,随后涂上超薄石墨烯状碳保护层。夹在两个电极之间的是充当带电离子储层的聚合物膜,该膜起着类似于电池中电解质糊剂的作用。当电极被压在一起时,聚合物渗出到微孔中,类似于融化的奶酪渗进三明治面包的角落和缝隙中。当聚合物冷却并凝固时,则形成极牢固的机械结合。 Westover表示,设计承重超级电容器的最大问题是防止他们分层, 将纳米多孔材料与聚电解质结合能使各分层相互结合的比胶粘还紧密。

在结构化超级电容器中硅的使用最适用于消费类电子产品和太阳能电池,但Pint和Westover确信他们所开发的材料所具有的负荷承重特性规律能应用到其他材料中,如碳纳米管和轻质多孔金属比如铝。

这种对“多功能”设备的热衷关注十分明显:美国能源部门的能源高级研究项目局为专注于将储能结合到结构材料的研究项目投资了870万美元。也常有一系列主流努力开发能应用于电动汽车和军事用途的多功能材料或结构化电池的最新新闻报道。然而Pint指出,目前尚未有任何有关结构化储能材料实验的技术文献报告记录他们如何在真实的机械负荷下运作。

美国国家科学基金会为该研究工作提供了支持。实验材料部分制造于Oak Ridge国家实验室的纳米材料科学中心,并受到了美国能源署的基础能源科学办公室的支持。

英文报道: 
CAN SUPERCAPACITOR ‘WAFERS’ MAKE POWER CORDS OBSOLETE?
http://www.jijitang.com/note/5212

论文原文: 
《多功能承重固态超级电容器》, 2014年5月13日发表于《NANO Letters》 
http://www.jijitang.com/note/5211

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