为减轻环境压力 可使用木材超级电容器

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研究人员的报告显示,木材生物碳超级电容器能够产生与当今活性炭超级电容器相等的电量,但成本却更低且有利于保护环境。该报告发布于《电化学学报》。

报告研究小组组长、伊利诺伊斯大学可持续技术中心高级研究员Junhua Jiang表示,超级电容器与我们使用的电池相似。电池依赖化学反应持续生产电能,而超级电容器在其电极上集聚带电离子,并且在放电时迅速释放这些离子。这样一来,它能够闪电般地提供充足能量(如照相机的闪光灯),或者即时满足能源网高峰期需求。

“对于需要即时充电或者需要即时能量供应的应用设备来说,超级电容器是完美配件,因为它能以更低的成本迅速完成充电,”Junhua Jiang说,其在交通、电子、太阳能与风能存储与配送方面应用前景广阔。

当今许多超级电容器使用活性炭,而活性炭来自于化石能源。“为了生成活性炭的微结构,即增加孔量并优化孔网,需要成本高昂、工序复杂的程序。这道程序的目的在于增加电极表面积,以及提高各孔迅速捕捉并释放离子的能力。” Junhua Jiang解释了生成活性炭微结构的原理。

对于木材电容器而言,其木质天然孔状结构可以直接视作电极表面,因此不必使用复杂的技术制造孔状结构。而木材生物碳,则可通过低氧加热木材获得。

对于某些木材,孔的尺寸与分布非常适合离子快速传输。本次研究使用了红刺柏,但是其他一些木材如枫树或者樱桃树也适用。

通常,在制作超级电容器时,通常需要成本高昂且腐蚀性强的化学物质用来加工活性炭,以此赋予电极必要的物理与化学性质。

“使用这些化学物质可能会对环境造成影响。我们应该避免或尽可能减轻对环境的破坏,”Junhua Jiang表示。

Jiang与他的团队用温和的硝酸激活生物碳,清除了生物碳的灰烬(如碳酸钙、碳酸钾和其他杂质)。该工序还具有另一个好处,硝酸化合物作用产生的溶剂能够当做化肥使用。

这些简单的方法显著降低了生产超级电容器所需的物质与环境成本。

“生物碳超级电容器的物质成本比活性炭超级电容器要低得多,” Junhua Jiang说。

当生物碳超级电容器使用寿命走到尽头时,可以粉碎电极并作为有机土壤改良剂使用,这将让土壤变得更加肥沃。“生物碳物质的性能可与当今高级碳物质相提并论,这包括碳纳米管与墨烯材料。这意味着,我们能以更低的物质成本、与环境成本实现等同的效率。”