用花生殼制造超級(jí)電容器

混合離子電容器能夠以靜電和電化學(xué)方式存儲(chǔ)電荷，它以能量和電能的形式為傳統(tǒng)電池和超級(jí)電容器搭建橋梁。“在傳統(tǒng)電池中，陰極往往限制了電池的性能，所以人們首先做的便是將常規(guī)陰極更換為超級(jí)電容器陰極，”阿爾伯塔大學(xué)的David Mitlin表示，他領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。這些陰極可以極大地改善這些裝置的循環(huán)壽命。“離子被吸附至NIC內(nèi)的電極表面，這避免了由于離子吸附至本體上而引起的電池劣化”，Mitlin補(bǔ)充道。因此具有高表面積的陰極材料成為實(shí)現(xiàn)能源電力性能的關(guān)鍵，具有與其他最先進(jìn)的能量?jī)?chǔ)存裝置競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力。

那么，為什么用花生殼作母體呢?Mitlin說(shuō)，他們?nèi)菀椎玫?、價(jià)格低廉且商業(yè)用途有限，他們最終的歸宿多是垃圾填埋場(chǎng)。然而，花生殼并不是隨意被選擇的，是課題組認(rèn)為花生殼內(nèi)外的重要結(jié)構(gòu)特征分別是理想陽(yáng)極和陰極材料所需要具備的?；ㄉ鷼?nèi)部主要由高度交聯(lián)的木質(zhì)素聚合物構(gòu)成，使其適于組裝擴(kuò)張石墨烯層，以嵌入鈉離子作為高效陽(yáng)極。陰極是一種具有高表面積的石墨烯狀材料，由富含纖維素的異質(zhì)花生外殼合成。

當(dāng)整個(gè)花生殼被用來(lái)合成兩極材料時(shí)，這個(gè)精心挑選的過程突顯了該儲(chǔ)能設(shè)備性能不良。然而，優(yōu)化后的系統(tǒng)在51.2A/ g的10萬(wàn)次循環(huán)后，依然保持88%的容量。由此可見，它的性能足以與鋰離子電容器抗衡。

這肯定是一項(xiàng)不易完成的任務(wù)，鈉與鋰相比具有較大的離子半徑，將鈉應(yīng)用于這種能量?jī)?chǔ)存裝置是十分困難。然而，鈉更便宜且更易掌握。Mitlin承認(rèn)，研發(fā)過程中一直存在很多困難，“很少人真正做到了，但這也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)楝F(xiàn)有可查詢的文獻(xiàn)十分有限。”

一些材料專家都稱贊這項(xiàng)工作。來(lái)自中國(guó)復(fù)旦大學(xué)的吳宇平(Yuping Wu)為這項(xiàng)研究中優(yōu)良的電極循環(huán)穩(wěn)定性所折服，“這些數(shù)據(jù)表明這種鈉離子電容器為實(shí)際應(yīng)用提供了可能”。橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Chengdu Liang，贊賞這個(gè)項(xiàng)目但也認(rèn)識(shí)到需要進(jìn)行更多研究，“這項(xiàng)研究舉例說(shuō)明了使用生物材料作為能量?jī)?chǔ)存設(shè)備原料的通用性。然而，每個(gè)環(huán)境仍需要推敲，因此從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用，還有很長(zhǎng)的路要走。”