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新型超级电容器,能量存储密度提高了30倍

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新型超级电容器,能量存储密度提高了30倍

发布日期:2017-05-08 11:11 来源: 点击:

受蕨叶分形结构的启发,研究人员利用激光在石墨烯电极上蚀刻出重复结构,得到一种全新的超级电容器。这种结构的能量存储密度比传统结构高30倍,可以显著提升太阳能的应用前景,特别是太阳能薄膜类产品的性能。

图 | 新型电极结构(右)可以与太阳能电池(左)组合,用于芯片级能量的收集和存储

除了大家熟悉的电池外,能量储存还有许多其他的选择。例如,与锂离子电池中的电化学反应不同,电容器通过静电来存储能量,而超级电容器,就是拥有比传统电容器高出数千倍的电容值。

超级电容器适用于高电流及短时间内频繁的充放电循环,尤其适合于太阳能应用。这也是为什么太阳能行业对超级电容器有很大的兴趣。然而,超级电容器太阳能系统还停留在实验室阶段,原因在于超级电容器的能量储存密度不高,仅有约3×10-3Whcm-3。

受大自然的启发,来自澳大利亚墨尔本RMIT大学的研究人员成功改进了存储太阳能的电容器结构,他们设计出了一种新型电极,与现有超级电容器集成时,可以将目前最先进的基于超级电容器的太阳能存储密度提高30倍。

他们的灵感便是西方剑蕨:叶子中密集地排布着静脉结构,可以有效地储存能量和运输水分。它是世界上最丰富的蕨类植物之一,呈亮绿色,锥形,2至3英尺长(61~91厘米)。但是,很多人或许没有意识到剑蕨的纳米级结构,它的叶子具有类似于雪花的重复结构。

图 | 西方剑蕨放大400倍的图像,叶子的脉络具有类似于雪花的重复结构

澳大利亚研究人员设计的电极基于蕨类植物的天然高效分形结构。为了模仿这种分形结构,研究人员利用高精度激光脉冲来刻蚀石墨烯片,利用石墨烯诸多特性之一的优良导电性。

测试表明,当新型电极与超级电容器组合时,系统存储电荷的时间更长,漏电流更小。

该研究发表在《科学报告》(Scientific Reports)上,研究员人员表示:“最令人兴奋的是可以将这种电极与太阳能电池集成在一起,以提供全面的芯片能量采集和存储方案!

具体来说,这种新电极最大的应用前景在于可以和薄膜太阳能电池相结合。薄膜太阳能电池应用场景十分灵活,几乎可以在任何地方捕获太阳能——无论在窗户、智能手机还是手表上。使用这种技术,我们甚至可能不需要电池就能给手机供能。

研究人员提到:“借助这种灵活的电极原型,我们成功解决了能量存储的一大挑战,并展示了如何将电极与太阳能电池相结合。未来,随着技术的进一步发展,我们希望可以实现全方位的太阳能供电,使电子产品能够自给自足!”


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