Отчет опубликован в журнале Electrochimica Acta. «Суперконденсаторы — это силовые устройства, очень похожие на наши батареи», — сказал руководитель исследования Цзюньхуа Цзян, старший инженер-исследователь Центра устойчивых технологий штата Иллинойс при Университете Иллинойса. В то время как аккумуляторы полагаются на химические реакции для производства устойчивой электрической энергии, суперконденсаторы собирают заряженные ионы на своих электродах (в данном случае на биочагле) и быстро высвобождают эти ионы во время разряда. Это позволяет им подавать энергию короткими мощными импульсами — например, во время вспышки камеры или в ответ на пиковую нагрузку в энергосистеме, — сказал Цзян.
«Суперконденсаторы идеально подходят для приложений, требующих мгновенного питания, и могут даже обеспечивать постоянное питание — как батареи, но по более низкой цене», — сказал он. Они используются на транспорте, в электронике, а также в хранении и распределении солнечной и ветровой энергии.
По словам Цзяна, во многих современных суперконденсаторах используется активированный уголь — обычно из источника ископаемого топлива.«Дорогостоящие и сложные процедуры обычно используются для разработки микроструктуры углерода — для увеличения количества пор и оптимизации сети пор», — сказал он. «Это увеличивает площадь поверхности электрода и способность пор быстро захватывать и высвобождать ионы».
В суперконденсаторах из дерева и биоугля естественная пористая структура древесины служит поверхностью электрода, устраняя необходимость в передовых технологиях для создания сложной пористой структуры. Древесный биочар получают путем нагревания древесины в условиях низкого содержания кислорода.По словам Цзяна, размеры и конфигурация пор в некоторых лесах идеальны для быстрого переноса ионов.
В новом исследовании использовался красный кедр, но некоторые другие породы дерева, такие как клен и вишня, также подходят.По словам Цзян Цзян, для приготовления активированного угля, используемого в суперконденсаторах, часто используются дорогие и коррозионные химические вещества, которые придают электродам физические и химические свойства, необходимые для их нормальной работы.«Использование этих химикатов, вероятно, окажет некоторое воздействие на окружающую среду», — сказал он. «Этого следует избегать или, по крайней мере, существенно уменьшить».
Цзян и его команда активировали свой биоуголь мягкой азотной кислотой, которая смыла золу (карбонат кальция, карбонат калия и другие примеси) из биоугля. По словам Цзян Цзэминя, побочный продукт этого процесса имеет полезное применение: Полученный раствор нитратных соединений можно использовать в качестве удобрения.
Эти простые подходы резко сокращают материальные и экологические затраты на сборку суперконденсаторов.«Материальные затраты на производство суперконденсаторов из древесного угля в пять-десять раз ниже, чем при производстве активированного угля», — сказал Цзян.
А когда суперконденсатор biochar подошел к концу своего срока службы, электроды можно раздавить и использовать в качестве органической добавки к почве, которая увеличивает плодородие.«Характеристики наших материалов biochar сопоставимы с характеристиками современных современных углеродных материалов, включая углеродные нанотрубки и графены», — сказал Цзян. «Мы можем достичь сопоставимой производительности с гораздо меньшими затратами и, возможно, с гораздо меньшими экологическими затратами».