研究人员利用超级电容器部件制造新型钠离子电池

研究人员利用超级电容器部件制造新型钠离子电池钠离子电池并不新鲜，但近几年才开始受到重视。与锂电池相比，钠离子电池可以使用的材料更为丰富（多达1000种），而且价格低廉。它们也比锂离子电池安全得多，可以放电到0V-消除了因短路而导致热失控的可能性。然而，漫长的充电时间和不尽如人意的存储容量使钠离子电池一直处于边缘地位，但这一切很快就会改变。KAIST团队用超级电容器使用的材料取代了普通电池的阴极材料，从而制造出了一种高能量、高功率、可快速充电的混合钠电池。此外，还对阳极进行了调整以提高容量，并采用了一种合成优化电极材料的方法。根据Kang的说法，他们的解决方案的能量密度超过了市面上的锂离子电池，同时还具有电容器的输出密度特性。作为下一代存储设备，它可以在几秒到几分钟内完成充电，因此非常适合用于各种电子产品。对于制造电动汽车的汽车制造商来说，它也可能改变游戏规则，使他们能够降低成本，同时提供只需几分钟就能完全充电的汽车。幸运的话，这项技术最终会从实验室走向现实世界。研究小组的研究成果发表在《科学直通车》（ScienceDirect）杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428525.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428525.htm

研究人员将废弃纸板转化为可持续纤维素气凝胶泡沫塑料

研究人员将废弃纸板转化为可持续纤维素气凝胶泡沫塑料这种用明胶增强的纸板泡沫可使包装材料更具可持续性。资料来源：JinshengGou《ACS可持续化学与工程》杂志上的研究人员没有丢弃这些纸箱，而是利用纸板废料开发了一种缓冲泡沫。与传统的塑料泡沫缓冲材料相比，他们的再生材料更坚固、更绝缘。在家中堆积的各种垃圾中，废纸是最常见的一种。从报纸和垃圾邮件到纸板信封和纸箱，所有这些都会堆积起来，尤其是在网络购物大行其道的今天。研究人员有兴趣将这些容器和废纸变成其他有用的东西--坚固而轻便的邮寄材料。目前，为了让电子产品和玩具紧紧地依偎在盒子里，通常会使用泡沫塑料等模塑缓冲材料。轻质的纤维素气凝胶是一种可持续的替代品，但目前从废纸中生产纤维素气凝胶的方法需要几个化学预处理步骤。因此，苟金生和同事们希望找到一种更简单的方法，来制造一种以废纸为基础的泡沫材料，这种材料可以承受最恶劣的运输环境。为了制造泡沫，研究小组用搅拌机将纸板碎屑打成纸浆，然后与明胶或聚醋酸乙烯（PVA）胶水混合。将混合物倒入模具中，冷藏，然后冻干，形成缓冲泡沫。这两种纸质泡沫都具有良好的隔热性能和强大的能量吸收能力，甚至优于某些塑料泡沫。研究小组随后将纸浆、明胶、PVA胶水和一种硅基液体结合在一起，制成了一种重型废纸泡沫。这一版本的纸板泡沫可以承受锤子的击打而不散落，这一结果表明这种泡沫可以用于力量密集型的运输，例如无降落伞空投。研究人员说，他们的工作提供了一种简单而有效的方法，可以将纸板循环利用，制造出更环保的包装材料。参考文献：张斌、陶文轩、任子明、岳世琦和苟金生：《具有超高能量吸收、优异隔热性能和出色缓冲性能的可生物降解废纸基泡沫》，2023年11月28日，《ACS可持续化学与工程》。DOI:10.1021/acssuschemeng.3c06230编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1404939.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1404939.htm

超微型超级电容器：改变游戏规则的储能奇迹

超微型超级电容器：改变游戏规则的储能奇迹印度科学研究院（IISc）仪器与应用物理系（IAP）的研究人员设计出了一种新型超微超级电容器，这是一种能够存储大量电荷的微型装置。它比现有的超级电容器更小、更紧凑，可用于从路灯到消费电子产品、电动汽车和医疗设备等多种设备。目前，这些设备大多由电池供电。然而，随着时间的推移，这些电池会失去储存电荷的能力，因此保质期有限。而电容器凭借其设计，可以存储更长时间的电荷。例如，一个工作电压为5伏的电容器在十年后仍能以相同的电压工作。但与电池不同的是，超级电容器不能持续放电，例如为手机供电。另一方面，超级电容器集电池和电容器的优点于一身，既能储存又能释放大量能量，因此在下一代电子设备中备受青睐。在最近发表在《ACSEnergyLetters》上的这项研究中，研究人员使用场效应晶体管（FET）作为电荷收集器，而不是现有电容器中使用的金属电极，制造出了他们的超级电容器。"使用场效应晶体管作为超级电容器的电极是调整电容器电荷的新方法，"该研究的通讯作者、IAP教授AbhaMisra说。设备示意图。资料来源：VinodPanwar和PankajSinghChauhan电容器设计的创新目前的电容器通常使用基于金属氧化物的电极，但它们受到电子迁移率低的限制。因此，米斯拉和她的团队决定制造混合型场效应晶体管，由二硫化钼（MoS2）和石墨烯的几原子厚层交替组成，以提高电子迁移率，然后与金触点相连。两个FET电极之间使用固体凝胶电解质，以构建固态超级电容器。整个结构建立在二氧化硅/硅基底上。米斯拉说："设计是关键部分，因为你要整合两个系统。这两个系统是两个场效应晶体管电极和凝胶电解质（一种离子介质），它们具有不同的电荷容量。该研究的主要作者之一、IAP的博士生维诺德-潘瓦尔（VinodPanwar）补充说，制造这种装置以获得晶体管的所有理想特性具有挑战性。由于这些超级电容器非常小，没有显微镜是无法看到的，而且制造过程需要高精度和手眼协调。"VinodPanwar在无尘室中制作设备。资料来源：PragyaSharma性能和未来计划超级电容器制作完成后，研究人员通过施加各种电压测量了该装置的电化学电容或电荷保持能力。他们发现，在某些条件下容量增加了3000%。相比之下，仅含有MoS2而不含石墨烯的电容器在相同条件下容量仅提高了18%。今后，研究人员计划探索用其他材料替代MoS2能否进一步提高超级电容器的存储能力。他们补充说，他们的超级电容器功能齐全，可通过片上集成应用于电动汽车电池等储能设备或任何小型化系统中。他们还计划为超级电容器申请专利。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392215.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392215.htm

研究人员利用阳光将废水转化为有价值的化学品

研究人员利用阳光将废水转化为有价值的化学品传统方法的挑战传统的化学制造依赖于能源密集型工艺。半导体生物混合材料将高效的光捕获材料与优质的活细胞相结合，在利用太阳能进行化学生产方面取得了令人兴奋的进步。然而，挑战在于找到一种经济可行且环保的方法来扩大这项技术的规模。在这项研究中，研究人员着手将废水中的污染物直接在废水环境中转化为半导体生物混合物。该概念涉及利用废水中存在的有机碳、重金属和硫酸盐化合物作为构建这些生物混合物的原材料，然后将它们转化为有价值的化学品。深圳先进技术研究院和哈尔滨工业大学的研究人员开发了一种利用阳光将废水污染物转化为有价值的化学品的方法。该工艺使用直接从废水污染物中产生的半导体生物混合体，利用太阳能进行化学生产。图片来源：SIAT废水的复杂性和解决方案然而，实际工业废水的主要有机污染物、重金属和复杂污染物的成分通常各不相同，这些污染物往往对细菌细胞有毒且难以有效代谢。它还含有高含量的盐和溶解氧，需要具有好氧硫酸盐还原能力的细菌。因此，利用废水作为细菌原料具有挑战性。为了克服这个问题，研究人员选择了一种快速生长的海洋细菌——Vibrionatriegens，它对高盐浓度具有特殊的耐受性，并且能够利用各种碳源。他们在V.natriegens（纳特里根弧菌，一种革兰氏阴性海洋细菌）中引入了需氧硫酸盐还原途径，并训练工程菌株利用不同的金属和碳源，以便直接从此类废水中生产半导体生物杂交体。他们生产的主要目标化学品是2,3-丁二醇(BDO)，这是一种有价值的商品化学品。通过改造V.natriegens菌株，他们产生了硫化氢，这在促进有效吸收光的CdS纳米颗粒的生产中发挥了关键作用。这些纳米颗粒以其生物相容性而闻名，能够原位创建半导体生物杂交体，并使非光合细菌能够利用光。结果表明，这些阳光激活的生物杂交体表现出显着增强的BDO产量，超过了仅通过细菌细胞即可实现的产量。此外，该工艺还表现出可扩展性，利用实际废水实现了5升规模的太阳能驱动的BDO生产。高教授表示：“与传统的细菌发酵和基于化石燃料的BDO生产方法相比，生物混合平台不仅具有较低的碳足迹，而且还降低了产品成本，从而总体上对环境的影响较小。值得注意的是，这些生物混合物可以利用各种废水源来生产。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1391585.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1391585.htm

储能领域的新突破：麻省理工学院工程师用古老材料制造出超级电容器

储能领域的新突破：麻省理工学院工程师用古老材料制造出超级电容器麻省理工学院的工程师们用古老而丰富的材料制造出了一种"超级电容器"，可以储存大量能量。这种装置仅由水泥、水和炭黑（类似于木炭粉末）制成，可作为储存间歇性可再生能源（如太阳能或风能）的廉价系统的基础。图片来源：Franz-JosefUlm、AdmirMasic和Yang-ShaoHorn提供研究人员发现，这两种材料可以与水结合，制成超级电容器（电池的替代品），从而提供电能存储。开发该系统的麻省理工学院研究人员举例说，他们的超级电容器最终可以安装在房屋的混凝土地基中，这样就可以储存一整天的电能，同时几乎不增加（或减少）地基的成本，还能提供所需的结构强度。研究人员还设想了一种混凝土路面，可以在电动汽车经过该路面时为其提供非接触式充电。麻省理工学院教授弗朗茨-约瑟夫-乌尔姆（Franz-JosefUlm）、阿米尔-马西奇（AdmirMasic）和杨-邵-霍恩（Yang-ShaoHorn）以及麻省理工学院和威斯研究所的其他四位教授在最近发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上的一篇论文中介绍了这项简单而创新的技术。从原理上讲，电容器是一种非常简单的装置，它由浸在电解液中的两块导电板组成，中间用薄膜隔开。当在电容器上施加电压时，电解液中的正电离子会聚集在带负电的板上，而带正电的板则会聚集带负电的离子。由于板间的薄膜阻挡了带电离子的迁移，电荷的分离在板间产生了电场，电容器就带电了。两块极板可以长时间保持这对电荷，并在需要时迅速释放电荷。超级电容器是一种能够存储超大电荷的电容器。电容器可存储的电量取决于其导电板的总表面积。该研究小组开发的新型超级电容器的关键在于一种生产水泥基材料的方法，由于水泥基材料的体积内存在密集、相互连接的导电材料网络，因此这种材料具有极高的内表面积。研究人员将导电性极强的炭黑与水泥粉和水一起引入混凝土混合物中，并让其固化，从而实现了这一目标。水与水泥反应后，自然会在结构上形成一个由开口组成的分支网络，而碳则会迁移到这些空间中，在硬化的水泥中形成类似导线的结构。这些结构具有类似分形的结构，较大的分枝长出较小的分枝，这些分枝又长出更小的分枝，如此循环，最终在相对较小的体积内形成了极大的表面积。然后，将这种材料浸泡在标准电解质材料（如氯化钾，一种盐）中，从而在碳结构上积聚带电粒子。研究人员发现，由这种材料制成的两个电极之间隔着一层薄薄的空间或绝缘层，可以形成一个非常强大的超级电容器。由于这种新型"超级电容器"混凝土可以保持强度，因此用这种材料做地基的房屋可以储存太阳能电池板或风车一天所产生的能量，并在需要时随时使用。图片来源：Franz-JosefUlm、AdmirMasic和Yang-ShaoHorn提供电容器的两块极板就像电压相当的充电电池的两极：与电池一样，当连接到电源时，能量会储存在极板中，然后当连接到负载时，电流会流回，从而提供电能。"这种材料令人着迷，"马西奇说，"因为你拥有世界上最常用的人造材料--水泥，它与炭黑结合在一起，而炭黑是一种众所周知的历史材料--《死海古卷》就是用它写成的。你拥有这些至少有两千年历史的材料，当你以特定的方式将它们结合在一起时，就会产生一种导电纳米复合材料，这时事情就变得非常有趣了。"他说："随着混合物的凝固和固化，水会通过水泥水化反应被系统地消耗掉，而这种水化反应会从根本上影响纳米碳粒子，因为它们是疏水的（拒水）。随着混合物的演变，炭黑会自组装成一根相连的导电线。这种工艺很容易复制，使用的材料价格低廉，在世界上任何地方都可以买到。实现渗碳网络所需的碳量非常少，仅占混合物体积的3%。"用这种材料制成的超级电容器在帮助世界向可再生能源过渡方面潜力巨大。无排放能源的主要来源--风能、太阳能和潮汐能--都是在不固定的时间输出的，往往与用电高峰期不一致，因此储存电能的方法至关重要。"现在非常需要大型能源存储设备，现有的电池过于昂贵，而且主要依赖锂等材料，而锂的供应有限，因此急需更便宜的替代品。"乌尔姆说："这正是我们的技术极具前景的地方，因为水泥无处不在。"研究小组计算出，一块45立方米（或码）大小的掺有纳米碳黑的混凝土（相当于一个直径约3.5米的立方体）足以存储约10千瓦时的能量，这相当于一个家庭平均每天的用电量。由于混凝土可以保持强度，因此用这种材料做地基的房屋可以储存太阳能电池板或风车一天的发电量，并在需要时随时使用。而且，超级电容器的充放电速度比电池快得多。经过一系列测试，确定了水泥、炭黑和水的最有效配比后，研究小组制作了小型超级电容器，与一些纽扣电池差不多大小，直径约1厘米，厚约1毫米，每个都能充至1伏特，相当于1伏特的电池。然后，他们连接了三个这样的电池，演示了它们点亮3伏发光二极管（LED）的能力。在证明了这一原理后，他们现在计划制造一系列更大的版本，从与典型的12伏汽车电池大小相当的版本开始，然后逐步扩大到45立方米的版本，以展示其存储一屋电力的能力。他们发现，这种材料的储存能力与其结构强度之间存在着折衷。通过添加更多的炭黑，产生的超级电容器可以存储更多的能量，但混凝土的强度会稍弱一些，这对于混凝土不发挥结构作用或不需要混凝土的全部强度潜力的应用可能是有用的。他们发现，对于地基或风力涡轮机底座结构件等应用，"最佳点"是混合物中约10%的碳黑。碳水泥超级电容器的另一个潜在应用是建造混凝土路面，这种路面可以储存路边太阳能电池板产生的能量，然后利用无线充电手机使用的同类技术将能量输送给沿路行驶的电动汽车。德国和荷兰的公司已经在开发一种相关的汽车充电系统，但使用的是标准电池。研究人员说，这种技术的最初用途可能是远离电网的孤立住宅、建筑或避难所，可以由连接在水泥超级电容器上的太阳能电池板供电。该系统具有很强的可扩展性，因为储能容量是电极体积的直接函数。乌尔姆说："可以从1毫米厚的电极扩展到1米厚的电极，通过这样做，基本上可以将储能能力从点亮LED几秒钟扩展到为整栋房子供电。"根据特定应用所需的特性，可以通过调整混合物来调整系统。对于汽车充电道路来说，需要非常快的充放电速度，而对于家庭供电来说有一整天的时间来充电，因此可以使用充电速度较慢的材料。因此，这确实是一种多功能材料。除了能以超级电容器的形式储存能量外，同一种混凝土混合物还可用作加热系统，只需向含碳混凝土通电即可。乌尔姆认为这是"展望混凝土作为能源转型一部分的未来的一种新方式"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387965.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387965.htm

科学家将水、水泥、炭黑等混合物变成一种超级电容器

科学家将水、水泥、炭黑等混合物变成一种超级电容器01房子变电池建造这种“超级电容器”，并不需要什么高精尖的科技材料，甚至非常简单，用的都是生活中最常见的原材料，而且都非常便宜——水、水泥和炭黑。我们不常听到的炭黑，也不是什么难以合成的材料。这是一种用于制造汽车轮胎的高导电材料，是不完全燃烧过程中产生的木炭杂质，可以用来制造墨水、颜料、橡胶...将它们混合、凝固后，就可以获得一个储能高，而且几乎不损耗的导电纳米级复合材料。其实原理也很简单，麻省理工学院的科学家发现，当水泥与水混合且静置一段时间后，水泥与水反应时，会产生一些空隙。这时候炭黑派上了用场，将其混入混凝土混合物中后，由于其疏水性，排斥水分，碳会聚集在这些空隙中，自然形成一种类似于树枝状的网络，最后在凝固硬化的水泥中会形成一种线状的结构。这些线状结构像树枝一样，会产生许多大的分支，大的分支又会产生更小的分支，更小的分支则会越来越小地分裂下去。最终致使在看起来极为有限的空间中形成巨大的表面积。要知道，电容器的储能量是和电极的体积相关的，如果把1毫米变成1米，就能提供更多的电力。在极为有限的空间中，形成巨大的表面积这一特性，为接下来的储能上限的研究添加了极大的想象空间。而加入的炭黑则担任了导电线的角色，水泥与水发生反应后这些线状结构就像是连接两个极板的桥梁，使得整个混合物具有了导电性。项目参与者之一的马希奇（AdmirMasic）表示，随着混合物的固化，水泥中的水化反应系统地消耗了水分，而这种水化反应主要影响碳纳米颗粒，因为它们具有疏水性。炭黑则会形成一条导电线。最重要的是，只需使用在地球上任何地方都能获得的这些廉价材料，就能轻易复制这一过程。然后，他们将这种材料浸入常规电解质材料中，例如氯化钾，利用薄薄的空间或绝缘层隔开，氯化钾的带电粒子会沉淀在碳丝结构上。其结果是，就会形成一个非常强大的超级电容器，可以存储电能并达到10000次以上的稳定充放电循环。不过严格来说，超级电容器并不等同于电池，而是介于电池和电容之间的一种储能装置。简单来说，电池是将化学能转化为电能的装置，它通过在化学反应中将化学能转化为电子的形式来储存电能。其寿命有限，在能量转化的过程中会有损耗。电容器的工作原理，则是在两个电导板之间积聚电荷，通过电场来储存电能。而电容器储能和放电的过程不涉及化学反应，因此循环寿命很长，其充放电速度要比电池快得多。但因为电容器的能量密度较低，放电速度过快等局限性，限制了电容器的应用场景。而超级电容器，就是介于两者之间的一种特殊电容器，利用电极和电解质之间形成的静电双层来储存电荷，可以存储和释放比普通电容器更多的电能，并且可以比电池更快地充放电。之所以研究这样的超级电容器，省理工学院土木工程教授、这项研究的作者之一的弗朗茨（Franz-JosefUlm）表示，因为太阳能和风能并不总是可用，迅速建造更多价格合理的储能设备是摆脱化石燃料的必要条件。而且超级电容器不会随着时间而降低储能能力，也不需要使用锂离子电池中那些昂贵、有争议的材料，如钴和锂。由于炭黑很便宜，其成本跟混凝土的成本差不多。极低的成本下，有着相当广阔的落地空间。比如应用在房屋建设中，通过电缆连接屋顶上的太阳能板，使用这种材料制成的地基可以用来储存与房屋一天内使用量相当的太阳能。房子就会变身成为一个巨大的充电宝，随用随储。这个团队的研究还发现，添加的炭黑越多，超级电容器存储的能量就越多，不过混凝土结构强度也会下降，所以可以针对所需混凝土结构的强度不同，来添加炭黑的比例造出不同的混凝土“电池”。不仅如此，在风力发电场中，它可以用于风力涡轮机的底座，这种混凝土还可以用来制造道路，可以在电动汽车经过该路面时为其提供非接触式充电。这就比较有意思了，在经过一系列研究石墨烯、炉子炼超导等大费周章的手段以后，这一次人们需要的，也许仅仅只是一台搅拌机。02仍在起步阶段其实这项技术并非刚刚问世，在2023年，麻省理工的这个团队就在《PNASNexus》杂志上发表了“混凝土电池”的文章，并且还做出了小型样品。该团队当时认为，一个家庭的平均每日用电量约为10千瓦时。根据计算，一块尺寸为45立方米（或码）的纳米炭黑掺杂混凝土，也就是一个约3.5米宽的立方体，储存一日所需能量绰绰有余。由它造成的房子还能一直存储太阳能发电或者风力发电带来的能量，而且它的特性决定充放电速度比我们现在常用的电池要快得多。只要有需要，无论什么物品，都可以自由使用它储备的电源。理论成立的情况下，他们也开始实操。在测试确定水泥、炭黑和水的最佳比例之后，该团队造出了一些和纽扣电池差不多大小的超级容电器。每个超级电容器可以充电到1伏特，连接其中三个就可以看到这些小东西点亮3伏发光二极管（LED）的能力。证明可行性之后，他们计划从建造一个大约12伏汽车电池大小的版本开始，慢慢增加到45立方米，而且他们还设想，用这种混凝土材料来铺路。借助感应技术，路过的电动汽车就可以边移动边充电。不过截至目前，这项技术仍处于起步阶段。他们目前验证的结论是，炭水泥超级电容器只能存储为10瓦的LED供电30小时的能量。此外，早在2021年，瑞典查尔姆斯理工大学（ChalmersUniversityofTechnology）的一个团队称，已经研究出了可充电混凝土的雏形，与之前的容量相比，储存的电量增加了900%以上。他们的研究人员首先在以水泥为基础的混合物中加入少量的短碳纤维，然后在混合物中嵌入一个金属涂层的碳纤维网，铁为阳极、镍为阴极。和用土豆制作电池类似，这个装置被证明能够进行放电然后再充电。尽管采用新的设计其储能比之前的容量多出10倍。但实验中，该电池平均能量密度为每平方米7瓦时（或每升0.8瓦时），与商业电池相比能量密度很低。根据这项研究的联合作者EmmaZhang的发言，这个装置200平方米的储能仅可以供应一个典型美国家庭每日用电量的8%。显然，麻省理工的研究已经不再需要在混凝土中铺设网状电极，并且性能也比瑞典团队的装置更高。虽然说“混凝土电池”的研究仍处于实验室阶段，但是超级电容器的应用范围已经很广。在我们的日常生活中，像手机、相机、路灯、电动玩具等设备都可以见到超级电容器的身影。举个例子，由于其充放电速度快、重复使用次数多，超级电容器在轨道交通领域被广泛使用。2020年，上海市新增了89辆超级电容公交车，覆盖了中心城区的五条主要线路。这些公交车可以利用乘客上下车的间隙，1分钟的时间就能充满电，并且续航里程达到10-15千米。同样，它也被应用于分布式发电和配电网系统、军事设备、有轨电车等领域。可以预见，当我们攻克超级电容器存电量不足、工作电压较低等挑战后，“混凝土电池”才会落地有望。很多人的“家”，也能变成小型发电站了。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434488.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434488.htm