镍纳米复合物用作超级电容器的电极材料:可再生能源发电系统的稳定器

研究人员提高了超级电容器的效率,并努力制备大尺寸可再生能源储存设备。

本文翻译自由Adrian Miller撰写于www.materialsviews.com的英文原文

 2011年3月11日,日本遭受了地震和海啸,随后又发生了福岛核电站事故。这起事故促使各国政府和有关人士重新审视核能问题,以德国为例(MaterialsViews.com的编辑部就位于德国),该国宣布将于2022年前关闭所有核电站,并使用可再生能源发电以弥补电力缺口。

可再生能源的固有问题之一是能量来源的易变性,例如风速并不保持恒定,太阳的光照强度也并非全天不变。因此,如何把产能高峰时段的多余能量储存起来,从而在需求高峰期使用,是各国科研人员的重要研究课题。

近日,美国德拉华大学(University of Delaware)由John Q. Xiao牵头的研究组公布的成果将有助于解决这一技术难题。他们报道了一项用于制造镍纳米复合材料的新技术,其产物可用作超级电容器的电极,并可提升电容器的性能。

超级电容器被看作是提升可再生能源发电系统稳定性的重要设备,它兼具常规电容器和电池的优点。与常规电容器相似的是,超级电容器可以在需要时快速提供高电流密度;与电池相似的是,它们也可以储存大量电能。超级电容器的电极浸于电解质中,产生电化学双电层。在施加电压时,极性相反的离子将在两个电极上聚集,从而形成由静止电荷载体组成的超薄区域。

纳米结构电极生产技术中普遍存在的问题是:要么对于工业化生产过于敏感,要么需要添加会影响到电极性能的物质。Xiao开发的新技术有望解决这些问题。

研究者们首先制备镍纳米微粒,所用的反应介质为高沸点多元醇类。这些多元醇能够覆盖晶种的生长面,形成小的球形微粒。这些纳米微粒随后被压制成片状,并被沉积在极薄的铂片的单面上,该铂片随后将作为集电器使用。经过250 °C退火处理,纳米片外表会形成氧化镍(NiO)层,这将成为超级电容器的活性区域。上述工艺可以制备紧密、稳定、高度多孔的Ni/NiO电极,且不需要支撑物。

氢氧化钾被用作电解质。在充电时,氢氧根离子将与氧化镍结合并释放出电子;在以电流的形式释放电能时,则进行上述的反过程。电极材料的高颗粒度赋予其较大的内部表面积,从而为离子提供了良好的扩散通道。同时,材料还保存了金属微粒的导电架构,这是获得高电导率的重要保证。上述这些特征使得这类电极拥有了令人惊异的高容量,并在充放电循环中具有很高的能量密度和电流密度。

 

J. Q. Xiao et al., Angew. Chem. Int. Ed. ; DOI: 10.1002/anie.201101083