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电容器高调亮相 未来之路有多远

  2015-12-28 阅读:195
  近日有报导,中科院上海硅酸盐所研制出高性能超级电容器,暂且放开不懂技术的记者"充7秒钟续航35公里"的故弄玄虚,但其能量密度达41wh/kg (基于活性物质为63wh/kg),比现生产的超级电容器5-7wh/kg,确实是一个很大的进步,值得称赞!但是,如发条橙子所问:《中科院石墨烯电池新材料真能带飞电动车产业?》,这则是不少业内人士所关心的问题。这位记者提出的疑问归纳起来有:1、生产的成本问题;2、制备工艺工业化的可行性,特别是氮化工艺的环境影响问题;3、能量密度离电动汽车的要求还差得太远,如何解决的问题。
  一、成本问题
  本人认为,是有可能的。例如:采用溶胶凝胶法用石墨烯微片低成本地制备石墨烯气凝胶三维块。众多的研究文献已公开了这方面的技术,浙江大学高超教授研究的三维石墨烯气凝胶制备技术则是这类技术的榜样。发条橙子的文章中也指出:"3D石墨烯泡沫具有很大的比表面积,以及相应带来的良好的三维导电网络,用这样的集流体会给材料的性能带来很多加成,在这方面中科院金属所成会明院士组有不少工作可以参考。"
  二、氮化处理对环境的影响问题
  若工业化生产中采用实验室中常用的浓硝酸处理氮化工艺,确实环评很困难通过。
  在某国家级产业中心工程中,已使用了一种简单、低成本地解决氮氧化物污染的技术。后巴斯夫为获得此技术和其它关键技术收购了此公司至今也已十多年,生产线还在正常生产。若中科院上海硅酸盐所的超级电容器工业化时采用此净化工艺即可解决对环境影响的问题。
  三、能量密度问题
  能量密度是超级电容器的"死穴"。为提高超级电容器的能量密度,国内外都投入了大量的资金和人力在研究。但是,国内外研究的路线,基本是研究新型电极材料以提高电极的比容量,或研究于电极表面产生化学反应的复合型电极,中科院上海硅酸盐所的超级电容器公开之前,超级电容器的能量密度问题还没见突破性进展。
  众所周知,提高超级电容器的工作电压即可提高电容器的能量密度,因为电容器的储能量与电容器的工作电压的平方成正比。
  超级电容器是建立在双电层理论基础之上的非法拉第电容器。双电层理论19 世纪由Helmhotz 等提出。Helmhotz 模型认为电极表面的静电荷从溶液中吸附离子,它们在电极/ 溶液界面的溶液一侧离电极一定距离排成一排,形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的对垒界面层。
  为什么电极与电解液接触的表面不发生正负电的中和呢?至今还没见任何文献解释此问题。
  Helmhotz双电层理论提出至今已一百多年了,更精密的实验仪器出现,你可从电泳实验中观察到,正负电荷/离子于电极、电解液界面上对垒时,接近电极的电解液层中有一电中性层出现。本人认为正是电解液中与电极接触的液膜发生极化产生了电中性层,阻止了正负电荷中和。当超级电容器的工作电压高于电解液的电解电压致电解液分解时,极化膜被破坏,将导致超级电容器损坏,因此超级电容器的工作电压受制于电解液的溶剂的分解电压。
  固态极化膜的工作电压达到3V甚至10V将是非常容易的事,你可知,美国EEStor的高介电常数薄膜电容器的介电膜工作电压已达到了3500V。极化膜超级电容器的出现将会改变储能器的游戏规则。

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