Energ. Environ. Sci.：光熱效應增強超級電容器電容

【引言】

太陽能是一種儲量豐富的新能源，太陽光光熱轉換是一種收集利用太陽能的技術手段，具有轉換效率高和造價低等優點。光熱轉換目前已經被應用到許多領域如海水淡化、光熱醫療等，但仍有許多潛在的應用等待開發。超級電容器是一種常見的儲能器件，具有功率密度高、循環壽命長和充放電速率快等優點。但與其他儲能器件一樣，超級電容器常常在較低的溫度下表現出較低的性能，有時甚至會無法工作。因此，研究一種妥善解決上述問題的環保可持續并且造價低的途徑具有十分重要的意義。本文提出了一種新思路，利用太陽光照射時的光熱效應來提高超級電容器的溫度進而提高其電容、能量密度和功率密度，打開了太陽能應用的新窗口并且為儲能器件提供了新思路。

【成果簡介】

近日，北京大學的劉忠范院士和北京石墨烯研究院的魏迪研究員（共同通訊）的第一作者衣芳，共同一作任華英、戴可人作者等人發現，在光照下，由于光熱效應，超級電容器的電容、能量密度和功率密度都得到大幅提高。超級電容器采用具有全光譜高光吸收率及高熱導率的三維多級結構石墨烯作為電極，在1個太陽光照（1 kW m^-2）條件下，超級電容器在整個太陽光譜范圍光吸收率> 92.88％，光熱響應時間<200 s，表面溫度變化約39℃。在1個太陽光照下，贗電容器型超級電容器的電容增加到約1.5倍；雙電層型超級電容器的電容增加到約3.7倍。這項工作為太陽能應用提供了新的途徑，為能源存儲設備的開發提供了新的設計思路。相關成果以“Solar thermal-driven capacitance enhancement of supercapacitors”為題發表在Energy & Environmental Science上。

【圖文導讀】

圖 1 光熱效應增強電容和超級電容器典型結構的示意圖

（a）通過光熱效應增加電容的示意圖；

（b）超級電容器的光學照片；

（c）戴在手指上的超級電容器的照片；

（d）三維多級結構石墨烯的SEM全局圖像；

（e）在三維多級結構石墨烯自支撐骨架表面的石墨烯納米片的SEM放大圖像。

圖 2 超級電容器的光吸收和光熱響應

（a）超級電容器的透射光譜圖；

（b）超級電容器的反射光譜圖；

（c）超級電容器的吸收光譜圖；

（d）超級電容器在光照強度分別為0.41、0.72和1kW m^-2時的光熱響應曲線；

（e）超級電容器在1個太陽光照射過程中的紅外圖像。

圖 3 在室溫無光照和1個太陽光照下，超級電容器的電化學特性表征

（a）在無光照時，超級電容器的不同掃描電壓速率下的CV曲線圖；

（b）在1個太陽光照射時，超級電容器的不同掃描電壓速率下的CV曲線圖；

（c）在無光照和1個太陽光照射時，超級電容器在5 mV s^-1掃速下的CV曲線對比圖；

（d）在無光照時，超級電容器的不同直流充放電速率下的GCD曲線圖

（e）在1個太陽光照射時，超級電容器的不同直流充放電速率下的GCD曲線圖；

（f）在無光照和1個太陽光照射時，超級電容器在3.3 mA cm^-3直流充放電速率下的GCD曲線對比圖；

（g）采用CV曲線計算的體積比容量曲線圖；

（h）采用GCD曲線計算的體積比容量曲線圖；

（i）在無光照和1個太陽光照射時，超級電容器的交流阻抗圖。

圖 4 不同光照強度下，超級電容器的電化學性能圖

（a）光熱平衡溫度與光照強度之間的關系圖；

（b）不同光照強度下，超級電容器在5 mV s^-1掃速下的CV曲線圖；

（c）不同光照強度下，超級電容器在3.3 mA cm^-3直流充放電速率下的GCD曲線圖；

（d）CV曲線計算的超級電容器在不同光照強度下的體積比電容圖；

（e）GCD曲線計算的超級電容器在不同光照強度下的體積比電容圖；

（f）不同光照強度下，超級電容器的交流阻抗圖；

（g）超級電容器能量密度與光照強度的關系圖；

（h）超級電容器功率密度與光照強度的關系圖。

圖 5 不同加熱溫度下，超級電容器的電化學性能圖

（a）不同加熱溫度下，超級電容器在5 mV s^-1掃速時的CV曲線圖；

（b）不同加熱溫度下，超級電容器在3.3 mA cm^-3直流充放電速率下的GCD曲線圖；

（c）不同加熱溫度下，超級電容器的交流阻抗圖；

（d）在相同加熱溫度和光熱平衡溫度時，CV曲線計算的體積比電容對比圖；

（e）在相同加熱溫度和光熱平衡溫度時，GCD曲線計算的體積比電容對比圖。

【小結】

在太陽光照下，由于光熱效應，超級電容器的電容、能量密度和功率密度都得到了增強。使用全光譜高光吸收率和高熱導率的三維多級結構石墨烯作為電極的超級電容器，在全太陽光譜范圍內具有> 92.88％的光吸收率。在1個太陽光照下，表面溫度變化（ΔT）約為39℃。室溫下與無光照時相比，在1個太陽光照射下，贗電容型超級電容器的電容、能量密度和功率密度分別增加到?1.5倍，?1.5倍和?1.6倍；雙電層型超級電容器的電容增加到?3.7倍。本文的這種概念和策略具有普適性，還可以適用于其他基于高光熱轉換效率材料的超級電容器，如其他碳材料和納米結構金屬（如金、鋁）。它也可以應用于其他類型的儲能器件，如電池。沿此方向下一步的研究可以包括繼續提高光熱轉換效率，縮短光熱響應時間，改善電化學循環穩定性，以及更精確地控制光照下的電化學性能等；還可以利用此概念發展新型傳感器件如觸發器、光學或溫度傳感器等。本文的概念和策略有望作為一種環保可持續的技術手段來解決儲能器件在寒冷冬天或火星表面等低溫環境條件下的性能下降問題。總之，這項工作為太陽能應用開辟了新的領域，并為儲能器件的發展提供了新的研究和設計思路。

文獻鏈接：Solar thermal-driven capacitance enhancement of supercapacitors（Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/ C8EE01244J）。

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