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超级电容器生产难点_碳树成为超级电容器电极的新选择

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发表时间:2018-03-12 16:56来源:美剧下载,美剧在线观看,美剧天堂-熊猫影视网

  来自加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)HenrySamueli工程与应用科学学院的机械工程师和其他四家机构为超级电容器设计了一个超高效和持久的电极。该设备的设计灵感来源于树枝上树叶的结构和功能,相比其他设计效率要高出10倍以上。


  与相同类型的电极相比,该种电极体积和重量更轻,却可以能提供相同数量的能量储存并且可以提供更高的功率。在实验中,与使用类似碳材料制造的最佳可用电极相比,相同质量可以产生30%更好的电容(存储电荷的能力),这使得每个区域的电容提高30倍。它还产生了比其他设计高10倍的功率,并在超过10,000次充电周期后依然保留了初始电容的95%。这种新电极的设计以文章的形式发表在《NatureCommunications.》杂志上。


新型电极的分支和叶片设计结构.jpg


  图示新型电极的分支和叶片设计结构,包括由石墨烯制成的空心圆柱形碳纳米管阵列(“分支”)和锐边花瓣状结构(“叶”)。


  超级电容器是一种可反复充电的能量存储设备,它可以比相同质量的电池储存更多的能量。他们还支持快速充电并且可以持续成百上千个循环周期。如今它们被用于混合动力汽车的再生制动系统和其他应用。超级电容器技术的进步,可以使它们广泛应用于甚至替代日常家用电子产品中更熟悉的电池。


  工程师们知道超级电容器可以变得更加强大,但是关键挑战是生产更加有效和耐用的电极。超级电容器电极吸引离子,离子存储着能量并将其带到超级电容器的表面,在电容器表面的能量就可以自由使用了。超电容器中的离子储存在电解质溶液中。电极能快速传递储存电能的能力很大程度上取决于它能与电解液交换多少离子:离子交换的速率越快,他就可以存储更多的能量。


  清楚了这一点后,研究人员设计了表面积最大化的电极以来吸引更多的电子。他们从树木的结构中汲取了灵感,因为树木的叶子表面面积,能够吸收大量的二氧化碳进行光合作用。


  这个研究的主要研究者,加州大学洛杉矶分校的机械和航天工程教授TimFisher说:“我们经常在自然界中寻找灵感,植物也找到了吸收环境中二氧化碳等化学物质的最佳方法。事实上,在这个方案中,我们使用的的这个想法要比自然界的范围小得多,大概只有百万分之一。”


  研究人员使用了由两种碳原子复合组成的纳米材料来创造这种分支-叶子设计结构。这些树枝是直径约20nm至30nm的中空圆柱形碳纳米管构成。叶子是由超薄石墨烯层构成的大约100纳米宽的尖锐花瓣状结构,排列在碳纳米管的周围,这样可以使电极变得更加稳定。


  工程师们把这种结构组成了隧道形状的排列。当输送能量的离子通过这些阵列的时候,在电解质和电极表面所遇到的电阻将远远小于电极表面平坦时的电阻。该电极在酸性条件和高温下也表现良好,在这两种环境下都可以使用超级电容器。


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