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蛋壳膜提高超级电容器性能

导读: 碳化蛋壳膜电极表现出良好的循环稳定性:1万次循环后,只观察到3%的电容衰落。

  超电容器或超级电容器日益成为一项关键的存储技术,可用于高能效交通运输,以及可再生能源。这些设备具有传统电容器的优势,可迅速提供高密度电流,满足需求,也具有电池的优势,可以储存大量的电能。

  碳化鸡蛋壳膜的综合框架结构。这种独特的结构有利于电子和电解质转移,这就使这种材料可以理想地进行高功率应用

  碳化鸡蛋壳膜的综合框架结构。这种独特的结构有利于电子和电解质转移,这就使这种材料可以理想地进行高功率应用,如用于驱动电动汽车。

  来源:阿尔伯塔大学

  今天的商用超级电容器大多是电双层电容器(EDLC:electric double layer capacitors),能量存储在间隔很近的两层,这两层具有相反的电荷,可提供快速充电/放电率,可维持数百万个周期。研究者们设计出各种电极材料,以提高这种超级电容器的性能,他们主要集中研究的是多孔碳,因为多孔碳具有高比表面积,可调谐的结构,良好的导电性,而且成本低。近年来,越来越多开始研究各种碳纳米材料,如碳纳米管,碳纳米洋葱(carbon nano-onions),或石墨烯(graphene)。

  “理想的超级电容器同时具有高能量密度和高功率密度,”李治(Zhi Li)说,他是加拿大阿尔伯塔大学(University of Alberta)博士后研究员,属于大卫•马丁(David Mitlin)的研究小组。“有了给定的电位窗(potential window),能量密度就决定于具体的电容,而功率密度则取决于串联电阻,这主要产生于电极材料的电阻。高电导率的电极材料是很重要的,这是因为考虑到功率密度。然而,活性碳复杂的微孔结构和无序纹理,会限制电子转移的效率,形成性能欠佳的超级电容器,在高扫描速度就是这样。”

  有一项新的研究,最近发表在2012年4月刊的《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)上,题为《碳化鸡蛋壳膜具有三维架构可制成高性能电极材料用于超级电容器》(Carbonized Chicken Eggshell Membranes with 3D Architectures as High-Performance Electrode Materials for Supercapacitors),第一作者是李治,研究人员证明,一种常见的生活垃圾,就是鸡蛋壳膜,可以转换成高性能碳材料,用于超级电容器。

  论文摘要说,超级电容器电极材料的合成,需要碳化一种普通的家畜生物垃圾,就是鸡蛋壳膜。碳化的蛋壳膜是一种三维多孔碳薄膜,包含交织相连的碳纤维,其中含有约10%的净重氧和8%的净重氮。尽管有相对较低的比表面积,也就是221 m2 g−1,但是,基本电解质和酸性电解质有特殊的具体电容,分别是297 F g−1和284 F g−1,这是采用三电极系统。此外,这种电极表现出良好的循环稳定性:1万次循环后,只观察到3%的电容衰落,电流密度为4 A g−1。这些是非常有吸引力的电化学性能,他们研究了相关的独特结构和材料化学。

  “考虑一下,全球每年消耗1万亿颗鸡蛋,而且,一颗鸡蛋可以提炼30-40毫克成品碳,蛋壳膜确实是一种可靠的可持续资源,可用于清洁能源存储,”李治说。

  已经知道,富含氮的碳性能良好,可用作超级电容器的电极材料。这一研究小组的新发现表明,富含氮的碳具有合适的结构,效果会更好。

  “对我来说,最激动人心的发现,是鸡蛋壳膜具有惊人的天然结构,这是至关重要的,它的性能可以用作电极材料,只需经过碳化,”李治指出。“为什么?碳化蛋壳膜是一个真正的“集成系统”,包含交织的碳纤维,这些碳纤维直径在50纳米到2微米,大纤维和细小纤维天然连接在一起。”

  他回忆说,当他第一次看到这种蛋壳膜的微观结构时,一幅电网系统图像立即进入他的脑海:“如果你想象,粗纤维作为长距离的重型电力电缆,连接不同城市,而微小的纤维作为电源线,点亮你房子里的灯泡,那么,你也可以进一步假设,这种碳化蛋壳膜就是一种高效的电子传输系统。其实,它正是这样。碳化蛋壳膜的电阻比没有这种结构的无序活性碳低20倍。此外,蛋壳膜的多孔系统已证明,可以快速转移电解质。这些都是至关重要的,可带来快速充放电的电极材料。”

  此前,纳米技术研究人员已经采用蛋壳膜的这种独特的多孔结构,作为模板,合成纳米材料,见《蛋壳膜模板制成分层有序多孔网络包含二氧化钛管》(Eggshell Membrane Templating of Hierarchically Ordered Macroporous Networks Composed of TiO2 Tubes)。在这项新的研究中,加拿大研究人员碳化蛋壳膜(CESM:carbonized eggshell membranes),获得一种三维大孔碳薄膜,包含交织相连的碳纤维。

  因为有独特的结构,碳化蛋壳膜可以运行在高负载电流下。这意味着,用它制成的电容器充放电可以更快,超过传统碳制成的电容器。

  “我们发现,因为这种独特的结构,碳化蛋壳膜的系统电导率提高了一个量级,超过活性碳,这使它成为理想的电极材料,可用于高功率密度的超级电容器,”李治说。

  他指出,随着纳米技术的迅速发展,越来越多的神奇材料正在开发出来,都具有新的性能,而且采用创新的新技术。

  “碳材料就是一个例子,碳纳米管和石墨烯具有高得多的内在电导率,超过我们制作的碳化蛋壳膜,而且,它们都很有希望用作电极材料,”李治说。“不过,最大的挑战是,如何把这些材料集成到有效的系统中,发挥各种材料的优点,而且消除它们各自的缺点。我相信,这是一个领域,我们可以从大自然学到很多东西。

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