光熱效應(yīng)能有效的增強大功率充電機充電超級電容器電容量嗎？
2018-6-21 10:25:26??????點擊：
太陽能是一種儲量豐富的新能源，太陽光光熱轉(zhuǎn)換是一種收集利用太陽能的技術(shù)手段，具有轉(zhuǎn)換效率高和造價低等優(yōu)點。光熱轉(zhuǎn)換目前已經(jīng)被應(yīng)用到許多領(lǐng)域如海水淡化、光熱醫(yī)療等，但仍有許多潛在的應(yīng)用等待開發(fā)。大功率充電機充電超級電容器是一種常見的儲能器件，具有功率密度高、循環(huán)壽命長和充放電速率快等優(yōu)點。但與其他儲能器件一樣，大功率充電機充電超級電容器常常在較低的溫度下表現(xiàn)出較低的性能，有時甚至?xí)o法工作。因此，研究一種妥善解決上述問題的環(huán)保可持續(xù)并且造價低的途徑具有十分重要的意義。本文提出了一種新思路，利用太陽光照射時的光熱效應(yīng)來提高大功率充電機充電超級電容器的溫度進而提高其電容、能量密度和功率密度，打開了太陽能應(yīng)用的新窗口并且為儲能器件提供了新思路。
【成果簡介】
近日，北京大學(xué)的劉忠范院士和北京石墨烯研究院的魏迪研究員（共同通訊）的第一作者衣芳，共同一作任華英、戴可人作者等人發(fā)現(xiàn)，在光照下，由于光熱效應(yīng)，大功率充電機充電超級電容器的電容、能量密度和功率密度都得到大幅提高。大功率充電機充電超級電容器采用具有全光譜高光吸收率及高熱導(dǎo)率的三維多級結(jié)構(gòu)石墨烯作為電極，在1個太陽光照（1 kW m-2）條件下，大功率充電機充電超級電容器在整個太陽光譜范圍光吸收率> 92.88％，光熱響應(yīng)時間<200 s，表面溫度變化約39℃。在1個太陽光照下，贗電容器型大功率充電機充電超級電容器的電容增加到約1.5倍；雙電層型大功率充電機充電超級電容器的電容增加到約3.7倍。這項工作為太陽能應(yīng)用提供了新的途徑，為能源存儲設(shè)備的開發(fā)提供了新的設(shè)計思路。相關(guān)成果以“Solar thermal-driven capacitance enhancement of supercapacitors”為題發(fā)表在Energy & Environmental Science上。
【圖文導(dǎo)讀】
圖 1 光熱效應(yīng)增強電容和大功率充電機充電超級電容器典型結(jié)構(gòu)的示意圖
（a）通過光熱效應(yīng)增加電容的示意圖；
（b）大功率充電機充電超級電容器的光學(xué)照片；
（c）戴在手指上的大功率充電機充電超級電容器的照片；
（d）三維多級結(jié)構(gòu)石墨烯的SEM全局圖像；
（e）在三維多級結(jié)構(gòu)石墨烯自支撐骨架表面的石墨烯納米片的SEM放大圖像。
2 大功率充電機充電超級電容器的光吸收和光熱響應(yīng)
（a）大功率充電機充電超級電容器的透射光譜圖；
（b）大功率充電機充電超級電容器的反射光譜圖；
（c）大功率充電機充電超級電容器的吸收光譜圖；
（d）大功率充電機充電超級電容器在光照強度分別為0.41、0.72和1kW m-2時的光熱響應(yīng)曲線；
（e）大功率充電機充電超級電容器在1個太陽光照射過程中的紅外圖像。
3 在室溫?zé)o光照和1個太陽光照下，大功率充電機充電超級電容器的電化學(xué)特性表征
（a）在無光照時，大功率充電機充電超級電容器的不同掃描電壓速率下的CV曲線圖；
（b）在1個太陽光照射時，大功率充電機充電超級電容器的不同掃描電壓速率下的CV曲線圖；
（c）在無光照和1個太陽光照射時，大功率充電機充電超級電容器在5 mV s-1掃速下的CV曲線對比圖；
（d）在無光照時，大功率充電機充電超級電容器的不同直流充放電速率下的GCD曲線圖
（e）在1個太陽光照射時，大功率充電機充電超級電容器的不同直流充放電速率下的GCD曲線圖；
（f）在無光照和1個太陽光照射時，大功率充電機充電超級電容器在3.3 mA cm-3直流充放電速率下的GCD曲線對比圖；
（g）采用CV曲線計算的體積比容量曲線圖；
（h）采用GCD曲線計算的體積比容量曲線圖；
（i）在無光照和1個太陽光照射時，大功率充電機充電超級電容器的交流阻抗圖。
4 不同光照強度下，大功率充電機充電超級電容器的電化學(xué)性能圖
（a）光熱平衡溫度與光照強度之間的關(guān)系圖；
（b）不同光照強度下，大功率充電機充電超級電容器在5 mV s-1掃速下的CV曲線圖；
（c）不同光照強度下，大功率充電機充電超級電容器在3.3 mA cm-3直流充放電速率下的GCD曲線圖；
（d）CV曲線計算的大功率充電機充電超級電容器在不同光照強度下的體積比電容圖；
（e）GCD曲線計算的大功率充電機充電超級電容器在不同光照強度下的體積比電容圖；
（f）不同光照強度下，大功率充電機充電超級電容器的交流阻抗圖；
（g）大功率充電機充電超級電容器能量密度與光照強度的關(guān)系圖；
（h）大功率充電機充電超級電容器功率密度與光照強度的關(guān)系圖。
5 不同加熱溫度下，大功率充電機充電超級電容器的電化學(xué)性能圖
（a）不同加熱溫度下，大功率充電機充電超級電容器在5 mV s-1掃速時的CV曲線圖；
（b）不同加熱溫度下，大功率充電機充電超級電容器在3.3 mA cm-3直流充放電速率下的GCD曲線圖；
（c）不同加熱溫度下，大功率充電機充電超級電容器的交流阻抗圖；
（d）在相同加熱溫度和光熱平衡溫度時，CV曲線計算的體積比電容對比圖；
（e）在相同加熱溫度和光熱平衡溫度時，GCD曲線計算的體積比電容對比圖。
【小結(jié)】
在太陽光照下，由于光熱效應(yīng)，大功率充電機充電超級電容器的電容、能量密度和功率密度都得到了增強。使用全光譜高光吸收率和高熱導(dǎo)率的三維多級結(jié)構(gòu)石墨烯作為電極的大功率充電機充電超級電容器，在全太陽光譜范圍內(nèi)具有> 92.88％的光吸收率。在1個太陽光照下，表面溫度變化（ΔT）約為39℃。室溫下與無光照時相比，在1個太陽光照射下，贗電容型大功率充電機充電超級電容器的電容、能量密度和功率密度分別增加到?1.5倍，?1.5倍和?1.6倍；雙電層型大功率充電機充電超級電容器的電容增加到?3.7倍。本文的這種概念和策略具有普適性，還可以適用于其他基于高光熱轉(zhuǎn)換效率材料的大功率充電機充電超級電容器，如其他碳材料和納米結(jié)構(gòu)金屬（如金、鋁）。它也可以應(yīng)用于其他類型的儲能器件，如電池。沿此方向下一步的研究可以包括繼續(xù)提高光熱轉(zhuǎn)換效率，縮短光熱響應(yīng)時間，改善電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性，以及更精確地控制光照下的電化學(xué)性能等；還可以利用此概念發(fā)展新型傳感器件如觸發(fā)器、光學(xué)或溫度傳感器等。本文的概念和策略有望作為一種環(huán)?？沙掷m(xù)的技術(shù)手段來解決儲能器件在寒冷冬天或火星表面等低溫環(huán)境條件下的性能下降問題。總之，這項工作為太陽能應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域，并為儲能器件的發(fā)展提供了新的研究和設(shè)計思路。
【成果簡介】
近日，北京大學(xué)的劉忠范院士和北京石墨烯研究院的魏迪研究員（共同通訊）的第一作者衣芳，共同一作任華英、戴可人作者等人發(fā)現(xiàn)，在光照下，由于光熱效應(yīng)，大功率充電機充電超級電容器的電容、能量密度和功率密度都得到大幅提高。大功率充電機充電超級電容器采用具有全光譜高光吸收率及高熱導(dǎo)率的三維多級結(jié)構(gòu)石墨烯作為電極，在1個太陽光照（1 kW m-2）條件下，大功率充電機充電超級電容器在整個太陽光譜范圍光吸收率> 92.88％，光熱響應(yīng)時間<200 s，表面溫度變化約39℃。在1個太陽光照下，贗電容器型大功率充電機充電超級電容器的電容增加到約1.5倍；雙電層型大功率充電機充電超級電容器的電容增加到約3.7倍。這項工作為太陽能應(yīng)用提供了新的途徑，為能源存儲設(shè)備的開發(fā)提供了新的設(shè)計思路。相關(guān)成果以“Solar thermal-driven capacitance enhancement of supercapacitors”為題發(fā)表在Energy & Environmental Science上。
【圖文導(dǎo)讀】
圖 1 光熱效應(yīng)增強電容和大功率充電機充電超級電容器典型結(jié)構(gòu)的示意圖
（a）通過光熱效應(yīng)增加電容的示意圖；
（b）大功率充電機充電超級電容器的光學(xué)照片；
（c）戴在手指上的大功率充電機充電超級電容器的照片；
（d）三維多級結(jié)構(gòu)石墨烯的SEM全局圖像；
（e）在三維多級結(jié)構(gòu)石墨烯自支撐骨架表面的石墨烯納米片的SEM放大圖像。
2 大功率充電機充電超級電容器的光吸收和光熱響應(yīng)
（a）大功率充電機充電超級電容器的透射光譜圖；
（b）大功率充電機充電超級電容器的反射光譜圖；
（c）大功率充電機充電超級電容器的吸收光譜圖；
（d）大功率充電機充電超級電容器在光照強度分別為0.41、0.72和1kW m-2時的光熱響應(yīng)曲線；
（e）大功率充電機充電超級電容器在1個太陽光照射過程中的紅外圖像。
3 在室溫?zé)o光照和1個太陽光照下，大功率充電機充電超級電容器的電化學(xué)特性表征
（a）在無光照時，大功率充電機充電超級電容器的不同掃描電壓速率下的CV曲線圖；
（b）在1個太陽光照射時，大功率充電機充電超級電容器的不同掃描電壓速率下的CV曲線圖；
（c）在無光照和1個太陽光照射時，大功率充電機充電超級電容器在5 mV s-1掃速下的CV曲線對比圖；
（d）在無光照時，大功率充電機充電超級電容器的不同直流充放電速率下的GCD曲線圖
（e）在1個太陽光照射時，大功率充電機充電超級電容器的不同直流充放電速率下的GCD曲線圖；
（f）在無光照和1個太陽光照射時，大功率充電機充電超級電容器在3.3 mA cm-3直流充放電速率下的GCD曲線對比圖；
（g）采用CV曲線計算的體積比容量曲線圖；
（h）采用GCD曲線計算的體積比容量曲線圖；
（i）在無光照和1個太陽光照射時，大功率充電機充電超級電容器的交流阻抗圖。
4 不同光照強度下，大功率充電機充電超級電容器的電化學(xué)性能圖
（a）光熱平衡溫度與光照強度之間的關(guān)系圖；
（b）不同光照強度下，大功率充電機充電超級電容器在5 mV s-1掃速下的CV曲線圖；
（c）不同光照強度下，大功率充電機充電超級電容器在3.3 mA cm-3直流充放電速率下的GCD曲線圖；
（d）CV曲線計算的大功率充電機充電超級電容器在不同光照強度下的體積比電容圖；
（e）GCD曲線計算的大功率充電機充電超級電容器在不同光照強度下的體積比電容圖；
（f）不同光照強度下，大功率充電機充電超級電容器的交流阻抗圖；
（g）大功率充電機充電超級電容器能量密度與光照強度的關(guān)系圖；
（h）大功率充電機充電超級電容器功率密度與光照強度的關(guān)系圖。
5 不同加熱溫度下，大功率充電機充電超級電容器的電化學(xué)性能圖
（a）不同加熱溫度下，大功率充電機充電超級電容器在5 mV s-1掃速時的CV曲線圖；
（b）不同加熱溫度下，大功率充電機充電超級電容器在3.3 mA cm-3直流充放電速率下的GCD曲線圖；
（c）不同加熱溫度下，大功率充電機充電超級電容器的交流阻抗圖；
（d）在相同加熱溫度和光熱平衡溫度時，CV曲線計算的體積比電容對比圖；
（e）在相同加熱溫度和光熱平衡溫度時，GCD曲線計算的體積比電容對比圖。
【小結(jié)】
在太陽光照下，由于光熱效應(yīng)，大功率充電機充電超級電容器的電容、能量密度和功率密度都得到了增強。使用全光譜高光吸收率和高熱導(dǎo)率的三維多級結(jié)構(gòu)石墨烯作為電極的大功率充電機充電超級電容器，在全太陽光譜范圍內(nèi)具有> 92.88％的光吸收率。在1個太陽光照下，表面溫度變化（ΔT）約為39℃。室溫下與無光照時相比，在1個太陽光照射下，贗電容型大功率充電機充電超級電容器的電容、能量密度和功率密度分別增加到?1.5倍，?1.5倍和?1.6倍；雙電層型大功率充電機充電超級電容器的電容增加到?3.7倍。本文的這種概念和策略具有普適性，還可以適用于其他基于高光熱轉(zhuǎn)換效率材料的大功率充電機充電超級電容器，如其他碳材料和納米結(jié)構(gòu)金屬（如金、鋁）。它也可以應(yīng)用于其他類型的儲能器件，如電池。沿此方向下一步的研究可以包括繼續(xù)提高光熱轉(zhuǎn)換效率，縮短光熱響應(yīng)時間，改善電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性，以及更精確地控制光照下的電化學(xué)性能等；還可以利用此概念發(fā)展新型傳感器件如觸發(fā)器、光學(xué)或溫度傳感器等。本文的概念和策略有望作為一種環(huán)?？沙掷m(xù)的技術(shù)手段來解決儲能器件在寒冷冬天或火星表面等低溫環(huán)境條件下的性能下降問題。總之，這項工作為太陽能應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域，并為儲能器件的發(fā)展提供了新的研究和設(shè)計思路。
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