光熱轉(zhuǎn)換

【引言】

太陽(yáng)能是一種儲(chǔ)量豐富的新能源，太陽(yáng)光光熱轉(zhuǎn)換是一種收集利用太陽(yáng)能的技術(shù)手段，具有轉(zhuǎn)換效率高和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。光熱轉(zhuǎn)換目前已經(jīng)被應(yīng)用到許多領(lǐng)域如海水淡化、光熱醫(yī)療等，但仍有許多潛在的應(yīng)用等待開(kāi)發(fā)。超級(jí)電容器是一種常見(jiàn)的儲(chǔ)能器件，具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)和充放電速率快等優(yōu)點(diǎn)。但與其他儲(chǔ)能器件一樣，超級(jí)電容器常常在較低的溫度下表現(xiàn)出較低的性能，有時(shí)甚至?xí)o(wú)法工作。因此，研究一種妥善解決上述問(wèn)題的環(huán)?？沙掷m(xù)并且造價(jià)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(yáng)光照射時(shí)的光熱效應(yīng)來(lái)提高超級(jí)電容器的溫度進(jìn)而提高其電容、能量密度和功率密度，打開(kāi)了太陽(yáng)能應(yīng)用的新窗口并且為儲(chǔ)能器件提供了新思路。

近日，北京大學(xué)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(fā)現(xiàn)，在光照下，由于光熱效應(yīng)，超級(jí)電容器的電容、能量密度和功率密度都得到大幅提高。超級(jí)電容器采用具有全光譜高光吸收率及高熱導(dǎo)率的三維多級(jí)結(jié)構(gòu)石墨烯作為電極，在1個(gè)太陽(yáng)光照（1 kW m-2）條件下，超級(jí)電容器在整個(gè)太陽(yáng)光譜范圍光吸收率> 92.88％，光熱響應(yīng)時(shí)間<200 s，表面溫度變化約39℃。在1個(gè)太陽(yáng)光照下，贗電容器型超級(jí)電容器的電容增加到約1.5倍；雙電層型超級(jí)電容器的電容增加到約3.7倍。這項(xiàng)工作為太陽(yáng)能應(yīng)用提供了新的途徑，為能源存儲(chǔ)設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供了新的設(shè)計(jì)思路。相關(guān)成果以“Solar thermal-driven capacitance enhancement of supercapacitors”為題發(fā)表在Energy & Environmental Science上。

圖 1 光熱效應(yīng)增強(qiáng)電容和超級(jí)電容器典型結(jié)構(gòu)的示意圖

（a）通過(guò)光熱效應(yīng)增加電容的示意圖；

（b）超級(jí)電容器的光學(xué)照片；

（c）戴在手指上的超級(jí)電容器的照片；

（d）三維多級(jí)結(jié)構(gòu)石墨烯的SEM全局圖像；

（e）在三維多級(jí)結(jié)構(gòu)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(jí)電容器的光吸收和光熱響應(yīng)

（a）超級(jí)電容器的透射光譜圖；

（b）超級(jí)電容器的反射光譜圖；

（c）超級(jí)電容器的吸收光譜圖；

（d）超級(jí)電容器在光照強(qiáng)度分別為0.41、0.72和1kW m-2時(shí)的光熱響應(yīng)曲線；

（e）超級(jí)電容器在1個(gè)太陽(yáng)光照射過(guò)程中的紅外圖像。

圖 3 在室溫?zé)o光照和1個(gè)太陽(yáng)光照下，超級(jí)電容器的電化學(xué)特性表征

（a）在無(wú)光照時(shí)，超級(jí)電容器的不同掃描電壓速率下的CV曲線圖；

（b）在1個(gè)太陽(yáng)光照射時(shí)，超級(jí)電容器的不同掃描電壓速率下的CV曲線圖；

（c）在無(wú)光照和1個(gè)太陽(yáng)光照射時(shí)，超級(jí)電容器在5 mV s-1掃速下的CV曲線對(duì)比圖；

（d）在無(wú)光照時(shí)，超級(jí)電容器的不同直流充放電速率下的GCD曲線圖

（e）在1個(gè)太陽(yáng)光照射時(shí)，超級(jí)電容器的不同直流充放電速率下的GCD曲線圖；

（f）在無(wú)光照和1個(gè)太陽(yáng)光照射時(shí)，超級(jí)電容器在3.3 mA cm-3直流充放電速率下的GCD曲線對(duì)比圖；

（g）采用CV曲線計(jì)算的體積比容量曲線圖；

（h）采用GCD曲線計(jì)算的體積比容量曲線圖；

（i）在無(wú)光照和1個(gè)太陽(yáng)光照射時(shí)，超級(jí)電容器的交流阻抗圖。

圖 4 不同光照強(qiáng)度下，超級(jí)電容器的電化學(xué)性能圖

（a）光熱平衡溫度與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系圖；

（b）不同光照強(qiáng)度下，超級(jí)電容器在5 mV s-1掃速下的CV曲線圖；

（c）不同光照強(qiáng)度下，超級(jí)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(jì)算的超級(jí)電容器在不同光照強(qiáng)度下的體積比電容圖；

（e）GCD曲線計(jì)算的超級(jí)電容器在不同光照強(qiáng)度下的體積比電容圖；

（f）不同光照強(qiáng)度下，超級(jí)電容器的交流阻抗圖；

（g）超級(jí)電容器能量密度與光照強(qiáng)度的關(guān)系圖；

（h）超級(jí)電容器功率密度與光照強(qiáng)度的關(guān)系圖。

圖 5 不同加熱溫度下，超級(jí)電容器的電化學(xué)性能圖

（a）不同加熱溫度下，超級(jí)電容器在5 mV s-1掃速時(shí)的CV曲線圖；

（b）不同加熱溫度下，超級(jí)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(jí)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(shí)，CV曲線計(jì)算的體積比電容對(duì)比圖；

（e）在相同加熱溫度和光熱平衡溫度時(shí)，GCD曲線計(jì)算的體積比電容對(duì)比圖。

【小結(jié)】

在太陽(yáng)光照下，由于光熱效應(yīng)，超級(jí)電容器的電容、能量密度和功率密度都得到了增強(qiáng)。使用全光譜高光吸收率和高熱導(dǎo)率的三維多級(jí)結(jié)構(gòu)石墨烯作為電極的超級(jí)電容器，在全太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)具有> 92.88％的光吸收率。在1個(gè)太陽(yáng)光照下，表面溫度變化（ΔT）約為39℃。室溫下與無(wú)光照時(shí)相比，在1個(gè)太陽(yáng)光照射下，贗電容型超級(jí)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(jí)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(zhuǎn)換效率材料的超級(jí)電容器，如其他碳材料和納米結(jié)構(gòu)金屬（如金、鋁）。它也可以應(yīng)用于其他類型的儲(chǔ)能器件，如電池。沿此方向下一步的研究可以包括繼續(xù)提高光熱轉(zhuǎn)換效率，縮短光熱響應(yīng)時(shí)間，改善電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性，以及更精確地控制光照下的電化學(xué)性能等；還可以利用此概念發(fā)展新型傳感器件如觸發(fā)器、光學(xué)或溫度傳感器等。本文的概念和策略有望作為一種環(huán)保可持續(xù)的技術(shù)手段來(lái)解決儲(chǔ)能器件在寒冷冬天或火星表面等低溫環(huán)境條件下的性能下降問(wèn)題?？傊?，這項(xiàng)工作為太陽(yáng)能應(yīng)用開(kāi)辟了新的領(lǐng)域，并為儲(chǔ)能器件的發(fā)展提供了新的研究和設(shè)計(jì)思路。

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

期刊服務(wù)

材料人重磅推出特色期刊服務(wù)，為廣大材料&化學(xué)科技工作者提供包括第一性原理計(jì)算、有限元計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算、流體力學(xué)計(jì)算、相圖計(jì)算等一系列材料計(jì)算模擬服務(wù)；提供期刊封面圖、TOC圖、論文插圖以及摘要?jiǎng)赢?huà)、工作介紹動(dòng)畫(huà)、團(tuán)隊(duì)介紹視頻制作。如有需要，歡迎掃碼添加客服咨詢（微信號(hào)：cailiaoren001)

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com。