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新型海绵超级电容器研制成功热交换机

超级电容
2022年08月03日

新型海绵超级电容器研制成功

新型海绵超级电容器研制成功 2016年03月11日来源：　超级电容器正在成为一项关键的实用存储技术，可用于高能效运输，也可用于可再生能源(例如电网缓冲)。这些设备具有传统电容器的优势，可以迅速传输高密度电流，以满足需求，也具有电池的优势，可以存储大量电能。　　　　二氧化锰-碳纳米管-海绵电极的特征：(a)，透视图下的三维大孔分层二氧化锰-碳纳米管-海绵电极;(b)，二氧化锰均匀沉积在碳纳米管海绵结构上;(c)，高倍放大的多孔二氧化锰纳米粒子在碳纳米管海绵上的情况，插图显示的形态是单个二氧化锰花状粒子。　　　　超级电容器可提供一种低成本的替代能源，取代充电电池，用于各种设备，如电动工具，移动电子产品，以及电动汽车。一些汽车制造商都在探索的概念，是结合超级电容器与锂离子电池，作为下一代的能源存储系统，用于混合动力汽车。尽管电容器的能量密度远低于电池，但是，它的功率密度高得多，这使它们可以产生爆发性电能，有助于新一代汽车在加速时具有同等或更好的速度，胜过传统的汽油引擎车辆，同时可以显着降低油耗。　　　　研究人员现在已制成新型高性能海绵超级电容器，使用的是一种简单而可升级的方法。已经报道了他们的研究，就在最近出版的《纳米快报》(Nano Letters)上，题为《高性能纳米结构超级电容器采用海绵》(High-Performance Nanostructured Supercapacitors on a Sponge)，研究小组是在阿卜杜拉国王科技大学(KAUST：King Abdullah University of Science and Technology)，就在沙特阿拉伯，小组领导是胡萨姆N.??阿尔谢里夫(Husam N. Alshareef)，他们表明，这种三维电极可能有巨大的优势，胜过传统的混合电极材料。　　　　“我们表明，超级电容器电极的制备采用大孔结构，可以提高超级电容器的速度和单位电容(specific capacitance)，”阿尔谢里夫说。“我们一直在用海绵，因为它们提供了新颖的令人兴奋的特性，不同于纸和织物：首先，海绵具有尺寸更均匀的孔隙。第二，纤维素(cellulose)或聚酯纤维(polyester fibers)相互连接，实际上不需要结。这样，连续涂抹纳米材料就容易得多，因为没有结需要穿过。”　　　　这种基于海绵的超级电容器，设计和制造都是阿卜杜拉国王科技大学的研究小组进行的，他们使用了一种简单而可扩展的方法。他们的制造过程包括四个简单的步骤：首先，用水和丙酮(acetone)清洁一块市售海绵;然后，干燥后，切成小丝带;这些丝带要涂上碳纳米管油墨;最后，研究人员采用电解沉积，使二氧化锰纳米粒子沉积到涂有碳纳米管的海绵上。　　　　“因为碳纳米管的机械柔韧性，以及大孔海绵纤维素和碳纳米管之间很强的范德华(van der Waals)相互作用，所以，碳纳米管很容易涂到海绵骨架上，使这种绝缘海绵高度导电，只需要采用一种简单的浸渍和干燥工艺。”阿尔谢里夫解释说。　　　　研究碳纳米管涂层海绵时，研究人员发现，它仍然保持着分层大孔性质，其中，错综聚集的孔隙保持敞开，可以流过电解液。这种碳纳米管形成了薄薄的一层，裹住海绵骨架。　“我们测试机械韧性时，还对碳纳米管海绵骨架进行了折叠、扭曲和反复拉伸，”阿尔谢里夫说。“经过所有机械测试后，这种海绵总会恢复到最初的形状，不会有任何永久变形。”　　　　研究小组还测试了他们海绵超级电容器的电化学性能。“这种大孔海绵，连同多孔性电解沉积二氧化锰(MnO2)纳米粒子，形成一种双重多孔电极结构，具有良好的导电性，使电解液可完全进入二氧化锰，这就极大地提高了二氧化锰-碳纳米管-海绵超级电容器的性能，”阿尔谢里夫说。“我们发现，我们的海绵超级电容器单位电容很高，充放电速度超快，循环稳定性良好，能量和功率密度也很好，这就使它成为一种很有前途的电极，可用于未来的能源存储系统。”　　　　这可能是小型移动电子设备的一个有趣的方面，制成的超级电容器海绵，事实证明远轻于刚性金属或其他柔性基板，但具有同样的面积：一块海绵面积2平方厘米，厚度1毫米，重量大约只有10毫克。