快速充电,长时间运行,电池储能新突破

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在概念验证阶段,它在许多实际应用中(包括电动汽车,电话和可穿戴技术)作为便携式电源显示出巨大的潜力。

今天发表在《自然能源》上的这项发现克服了大功率,快速充电的超级电容器所面临的问题-超级电容器通常无法在狭小空间中容纳大量能量。

该研究的第一作者李庄南博士(UCL Chemistry)说:“我们的新型超级电容器对于下一代储能技术非常有前途,因为它可以替代当前的电池技术或与之并用,从而为用户提供更多的力量。

“我们设计的材料将赋予我们的超级电容器高功率密度-即它可以充电或放电的速度-以及高能量密度-这将决定它可以使用多长时间。通常,您只能拥有一个这些特性,但我们的超级电容器可以同时提供这两个特性,这是一个关键的突破。

“此外,超级电容器可以弯曲至180度而不会影响性能,并且不使用液体电解质,从而最大程度地减少了爆炸的危险,使其非常适合集成到弯曲的手机或可穿戴电子设备中。”

一个由化学家,工程师和物理学家组成的团队致力于这一新设计,该设计使用了创新的石墨烯电极材料,该材料的孔可以改变大小,从而更有效地存储电荷。这种调整将超级电容器的能量密度最大化,达到创纪录的88.1 Wh / L(每升瓦时),这是碳基超级电容器有史以来最高的能量密度。

相似的快速充电商业技术具有5-8 Wh / L的相对较差的能量密度,而用于电动汽车的传统慢速充电但长期运行的铅酸电池通常具有50-90 Wh / L。

尽管该团队开发的超级电容器的能量密度与铅酸电池的最新技术水平相当,但其功率密度却高出两个数量级,每升超过10,000瓦。

UCL数学与物理科学学院的资深作者兼院长Ivan Parkin教授(UCL化学)说:“在紧凑的系统中成功安全地存储大量能量是朝着改进能量存储技术迈出的重要一步。我们已经证明,它可以快速充电,我们可以控制其输出,并具有出色的耐用性和灵活性,非常适合用于小型电子产品和电动汽车的开发,想象一下,只需十分钟即可为电动汽车充满电,而手机和手机则只需几分钟持续一整天。”

研究人员用多层石墨烯制成电极,产生了一种致密但多孔的材料,能够捕获不同大小的带电离子。他们使用多种技术对其进行了表征,发现当孔径与电解质中离子的直径匹配时,其性能最佳。

经过优化的材料形成了薄膜,用于构建具有高功率和高能量密度的概念验证设备。

6cm x 6cm的超级电容器是由两个相同的电极制成的,该电极位于凝胶状物质的两侧,该物质充当电荷转移的化学介质。它用于为数十个发光二极管(LED)供电,并被发现具有很高的鲁棒性,灵活性和稳定性

即使以180度弯曲,它的性能也几乎与平坦时相同,并且经过5,000次循环后,它仍保留了其容量的97.8%。

资深作者冯力教授(中国科学院)说:“在未来30年中,智能技术的世界将加速发展,这将极大地改变通讯,运输和我们的日常生活。通过使储能变得更加智能,设备将通过与设备自动交互地交互工作,对我们来说是不可见的。我们的智能单元很好地说明了如何改善用户体验,并在未来的应用中显示出巨大的潜力,可作为便携式电源。”

该研究是由中国国家科学基金,中国科学技术部,中国科学院和EPSRC资助的。



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