蛋殼膜提高超級(jí)電容器性能

超電容器或超級(jí)電容器日益成為一項(xiàng)關(guān)鍵的存儲(chǔ)技術(shù)，可用于高能效交通運(yùn)輸，以及可再生能源。這些設(shè)備具有傳統(tǒng)電容器的優(yōu)勢(shì)，可迅速提供高密度電流，滿足需求，也具有電池的優(yōu)勢(shì)，可以儲(chǔ)存大量的電能。

碳化雞蛋殼膜的綜合框架結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)有利于電子和電解質(zhì)轉(zhuǎn)移，這就使這種材料可以理想地進(jìn)行高功率應(yīng)用，如用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車。

來(lái)源：阿爾伯塔大學(xué)

今天的商用超級(jí)電容器大多是電雙層電容器（EDLC：electric double layer capacitors），能量存儲(chǔ)在間隔很近的兩層，這兩層具有相反的電荷，可提供快速充電/放電率，可維持?jǐn)?shù)百萬(wàn)個(gè)周期。研究者們?cè)O(shè)計(jì)出各種電極材料，以提高這種超級(jí)電容器的性能，他們主要集中研究的是多孔碳，因?yàn)槎嗫滋季哂懈弑缺砻娣e，可調(diào)諧的結(jié)構(gòu)，良好的導(dǎo)電性，而且成本低。近年來(lái)，越來(lái)越多開(kāi)始研究各種碳納米材料，如碳納米管，碳納米洋蔥（carbon nano-onions），或石墨烯（graphene）。

“理想的超級(jí)電容器同時(shí)具有高能量密度和高功率密度，”李治（Zhi Li）說(shuō)，他是加拿大阿爾伯塔大學(xué)（University of Alberta）博士后研究員，屬于大衛(wèi)?馬?。―avid Mitlin）的研究小組。“有了給定的電位窗（potential window），能量密度就決定于具體的電容，而功率密度則取決于串聯(lián)電阻，這主要產(chǎn)生于電極材料的電阻。高電導(dǎo)率的電極材料是很重要的，這是因?yàn)榭紤]到功率密度。然而，活性碳復(fù)雜的微孔結(jié)構(gòu)和無(wú)序紋理，會(huì)限制電子轉(zhuǎn)移的效率，形成性能欠佳的超級(jí)電容器，在高掃描速度就是這樣。”

有一項(xiàng)新的研究，最近發(fā)表在2012年4月刊的《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）上，題為《碳化雞蛋殼膜具有三維架構(gòu)可制成高性能電極材料用于超級(jí)電容器》（Carbonized Chicken Eggshell Membranes with 3D Architectures as High-Performance Electrode Materials for Supercapacitors），第一作者是李治，研究人員證明，一種常見(jiàn)的生活垃圾，就是雞蛋殼膜，可以轉(zhuǎn)換成高性能碳材料，用于超級(jí)電容器。

論文摘要說(shuō)，超級(jí)電容器電極材料的合成，需要碳化一種普通的家畜生物垃圾，就是雞蛋殼膜。碳化的蛋殼膜是一種三維多孔碳薄膜，包含交織相連的碳纖維，其中含有約10％的凈重氧和8％的凈重氮。盡管有相對(duì)較低的比表面積，也就是221 m2 g?1，但是，基本電解質(zhì)和酸性電解質(zhì)有特殊的具體電容，分別是297 F g?1和284 F g?1，這是采用三電極系統(tǒng)。此外，這種電極表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性：1萬(wàn)次循環(huán)后，只觀察到3％的電容衰落，電流密度為4 A g?1。這些是非常有吸引力的電化學(xué)性能，他們研究了相關(guān)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和材料化學(xué)。

“考慮一下，全球每年消耗1萬(wàn)億顆雞蛋，而且，一顆雞蛋可以提煉30-40毫克成品碳，蛋殼膜確實(shí)是一種可靠的可持續(xù)資源，可用于清潔能源存儲(chǔ)，”李治說(shuō)。

已經(jīng)知道，富含氮的碳性能良好，可用作超級(jí)電容器的電極材料。這一研究小組的新發(fā)現(xiàn)表明，富含氮的碳具有合適的結(jié)構(gòu)，效果會(huì)更好。

“對(duì)我來(lái)說(shuō)，最激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)，是雞蛋殼膜具有驚人的天然結(jié)構(gòu)，這是至關(guān)重要的，它的性能可以用作電極材料，只需經(jīng)過(guò)碳化，”李治指出。“為什么？碳化蛋殼膜是一個(gè)真正的“集成系統(tǒng)”，包含交織的碳纖維，這些碳纖維直徑在50納米到2微米，大纖維和細(xì)小纖維天然連接在一起。”

他回憶說(shuō)，當(dāng)他第一次看到這種蛋殼膜的微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，一幅電網(wǎng)系統(tǒng)圖像立即進(jìn)入他的腦海：“如果你想象，粗纖維作為長(zhǎng)距離的重型電力電纜，連接不同城市，而微小的纖維作為電源線，點(diǎn)亮你房子里的燈泡，那么，你也可以進(jìn)一步假設(shè)，這種碳化蛋殼膜就是一種高效的電子傳輸系統(tǒng)。其實(shí)，它正是這樣。碳化蛋殼膜的電阻比沒(méi)有這種結(jié)構(gòu)的無(wú)序活性碳低20倍。此外，蛋殼膜的多孔系統(tǒng)已證明，可以快速轉(zhuǎn)移電解質(zhì)。這些都是至關(guān)重要的，可帶來(lái)快速充放電的電極材料。”

此前，納米技術(shù)研究人員已經(jīng)采用蛋殼膜的這種獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)，作為模板，合成納米材料，見(jiàn)《蛋殼膜模板制成分層有序多孔網(wǎng)絡(luò)包含二氧化鈦管》（Eggshell Membrane Templating of Hierarchically Ordered Macroporous Networks Composed of TiO2 Tubes）。在這項(xiàng)新的研究中，加拿大研究人員碳化蛋殼膜（CESM：carbonized eggshell membranes），獲得一種三維大孔碳薄膜，包含交織相連的碳纖維。

因?yàn)橛歇?dú)特的結(jié)構(gòu)，碳化蛋殼膜可以運(yùn)行在高負(fù)載電流下。這意味著，用它制成的電容器充放電可以更快，超過(guò)傳統(tǒng)碳制成的電容器。

“我們發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檫@種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，碳化蛋殼膜的系統(tǒng)電導(dǎo)率提高了一個(gè)量級(jí)，超過(guò)活性碳，這使它成為理想的電極材料，可用于高功率密度的超級(jí)電容器，”李治說(shuō)。

他指出，隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的神奇材料正在開(kāi)發(fā)出來(lái)，都具有新的性能，而且采用創(chuàng)新的新技術(shù)。

“碳材料就是一個(gè)例子，碳納米管和石墨烯具有高得多的內(nèi)在電導(dǎo)率，超過(guò)我們制作的碳化蛋殼膜，而且，它們都很有希望用作電極材料，”李治說(shuō)。“不過(guò)，最大的挑戰(zhàn)是，如何把這些材料集成到有效的系統(tǒng)中，發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，而且消除它們各自的缺點(diǎn)。我相信，這是一個(gè)領(lǐng)域，我們可以從大自然學(xué)到很多東西。