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榴莲:从水果之王变身储能之王

作者:中国储能网新闻中心 来源:果壳 发布时间:2020-03-24 浏览:
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榴莲,因为独特浓郁的气味,如同奶油冻一般浓甜细腻的果肉,被称为水果之王。喜欢它的老饕,恨不得日啖三百,而对其气味排斥者,则深恶痛绝,见到它就如入鲍鱼之肆,掩鼻疾走。近日,悉尼大学化学与生物工程学院的一群专家却发现,在这种口碑两极分裂的热带水果身上,可能诞生一项未来新能源黑科技。

从水果之王变身储能之王

具体来说,榴莲很可能成为未来电动汽车与其他消费电子产品快速充电设备的重要原材料。当然,这并不意味着简单用沉重而多刺的榴莲果壳造个手机壳,或者直接切两片榴莲果肉塞到电池或者充电宝里就OK了。

在一篇刊登于《能源贮藏》(Journal of Energy Storage)3月刊的论文中,悉尼大学化学与生物工程学院的文森特·G·戈麦斯(Vincent G. Gomes)副教授提出了一个大胆的发现,从榴莲和菠萝蜜剩余残留物中,可以提取出制造超级电容材料的有效成分。

什么是超级电容?

我们都知道,普通的电池,是靠内置活性物质的化学反应来储存电能的。与普通电池不同,超级电容是利用双电层原理制成的电容器,靠固体和固体,或液体和固体界面处的电荷分离来进行能量储存,也就是通过收集静电来储存能量。电容储存的是电能。电池储存的是由电能转化后的化学能。前者是物理变化,后者是化学变化。

超级电容内部结构图,通过内部碳材料吸附正负电荷来实现储能 | https://electricalfundablog.com/

大家可能都做过这样的趣味小实验,用一只充满气的橡胶气球摩擦自己的头发,又或者把衣服拿出烘干机时,两件衣服粘在一起,这些行为都会产生静电,而超级电容器可以吸收和储存这些静电。

在超级电容内部,作为正负极的是金属面板,中间是多孔渗透材料,以便尽可能多储存电能。戈麦斯打了个生动的比方,如果把电能比喻为水,那么超级电容就好比一块海绵,尽可能地将电能“吸纳”在其中。

传统超级电容所用的多孔渗透材料,是昂贵的人工碳纳米管和石墨烯,这些多孔渗透材料在显微镜下,如同一座座立体迷宫,遍布了许多孔道。在这里“居住”的“房客”并不是电荷,而是氮原子。氮原子越多,就越能增加电化学储能活性,同时又能保持高导电率。如果把超级电容比喻成一座工厂,氮原子是工人,那么这些孔道就是工人的宿舍,宿舍越多,能够容纳的工人越多,整座工厂的生产效率就会越高。

电子显微镜下,榴莲碳气凝胶残料内部丰富的孔道 | www.elsevier.com/locate/est

“自然生物经过几百万年的进化,拥有了精细出色的分层结构,成为一种表现优异的碳基材料”戈麦斯在论文中表示。他们利用榴莲和菠萝蜜的残渣,制成了超轻的空心材料,这种材料被称为碳气凝胶。碳气凝胶高度多孔且具有高吸收能力,是目前制造超级电容的优良材料。

利用榴莲残余物制造碳气凝胶流程图 | www.elsevier.com/locate/est

通过高压灭菌,戈麦斯和他的同事将榴莲与菠萝蜜核去除杂质,在零下80度真空环境中冷冻,经高热处理,最终做出了一批性能良好的碳气凝胶原料。近年来,材料学专家也一直尝试以其他自然界植物,比如西瓜与西柚的果皮,甚至纸浆为原料,制造碳气凝胶,但比起人工碳纳米管来,性能都不令人满意。

“超级电容”的长板与短板

根据实验数据,戈麦斯团队在超级电容中加入榴莲果核制造的碳气凝胶后,它的质量能量密度能够达到82.5瓦时/千克(WH/kg),比起传统超级电容10到20 WH/kg的表现,确实是有了飞跃。

那么是否电池制造工业在不久的将来就能大规模“变废为宝”,利用这些生物垃圾制造出传说中的超级电池了呢?且慢快活。

首先,超级电容器的工作方式与传统电池不同,虽然可以更快地充电,但电压低,无法存储太多能量,能量密度只有锂电池的十分之一。根据统计,现有汽车市场上纯电动力汽车电池的质量能量密度,大约是350 Wh/kg。所以说,超级电容本身,暂时还是一种前景不明朗,性价比不高,使用场景狭窄的技术。

第二点,较之工业制造的人工碳纳米管,利用榴莲核这样的自然生物垃圾制造出的超级电容用碳材料,质量极不稳定,品控难度极高。试想一下,一种大规模制造,日常需求极高的产品,在制造过程中,品质极端不稳定,这一批性能优良,下一批可能就是废物,那肯定是无法接受的。

未来超级电容应用想象图, 包括在新能源车辆上配合电池使用,收集车辆行驶中产生的动能,或者无缝嵌入服装 | https://gnanomat.com

所以,许多能源与材料工业专家指出,超级电容的未来,很可能是手机,以及可穿戴设备等相对轻量化、对电量要求不高的轻型消费电子产品。这样本身轻便,在充电速度上占优的超级电容器才会有用武之地。所以说,想让榴莲变身黑科技满满的劲量小电池,还有一段漫长的道路要走。

作者:朱步冲

编辑:Odette

关键字:储能电池 超级电容器

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