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运输性质

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结构性超级电容器承受重担

28 May 2014
Stress and squeeze: the new 结构超级电容器 design

美国研究人员已经开发出一种可以在很大的压力和振动下工作的固态超级电容器。与传统的超级电容器不同,新设计不会在压力下分层,并且可能导致各种实际应用,从更高效的设备到可再生能源存储。

与电池不同–通过化学反应起作用–超级电容器以带电离子的形式存储能量,这些离子被组装在多孔电极的表面上。超级电容器还有很多好处:它们可以在数分钟内完成充电和放电–不像电池,它需要几个小时–并且使用寿命更长,可以持续数百万个循环,而不是数千个。但是,它们的缺点在于存储容量减少–为了保持给定的电荷,大多数超级电容器需要比同等的锂离子电池更大,更重。

重型存储

克服这一局限性的一个主意是创建超级电容器,将其同时用作能量存储和结构支撑。通过加倍否则“dead weight”对于结构材料,超级电容器的快速充电,持久特性可以被利用,而无需内部独立的电源。这个概念“结构超级电容器”可能有很多潜在的应用–例如,将笔记本电脑用作电池的笔记本电脑,存储在房屋墙壁内的可再生能源,甚至是将电能存储在其自身底盘中的快速充电电动汽车。为了用作这种结构装置,超级电容器将需要在相当大的应力和振动下工作。传统的超级电容器不适合该任务–当被分层时,当施加这样的力时,它们的电极和电解质易于分离。

牢固的联系

为了克服这个问题,由 卡里·品脱 来自田纳西州范德比尔特大学的工程师设计了一种具有更好集成度的超级电容器。该设计的特色是由硅片制成的电极,其内侧经过电化学蚀刻,形成了被纳米孔覆盖的表面。然后将它们涂一层保护性的超薄碳层,然后再将其真空压缩在离子导电聚合物周围。该电解质渗入硅中’纳米孔,形成牢固的机械键,不易分开。

经过测试,研究人员发现该设计提供的能量密度高达10 W h / kg且即使在44的压力下也能完美运行 psi和超过80的振动加速度 g –后者比作用于喷气发动机的力大。虽然先前已经报道了结构超级电容器的设计(主要基于碳纤维的使用),但该团队’的设计能够存储3到4个数量级以上的电荷–实际上,可以与(常规)商用超级电容器相比。品脱指出,设计表明“在压缩,剪切,拉伸,高振幅振动和冲击力下操作设备时,性能不会受到影响”。他补充说,制造过程比传统的超级电容器更简单,并且成本最低,而且组件材料和生产过程都相对便宜。此外,组成部件既是生物友好的又是不可燃的,从而消除了传统上与锂离子电池相关的一些安全隐患。

“这项研究为电化学储能系统的机械坚固型电极的更大研究领域做出了巨大贡献,” says 瓦迪姆·莫查林是费城德雷塞尔大学的纳米材料专家,他没有参与这项研究。“[这]可能会激发锂离子电池,芯片上的微型超级电容器,传感器和其他设备的类似设计。”

该研究描述于 纳米字母.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者