По данным Materials Today, около половины стоимости материалов приходится на использование активированного угля для покрытия электродов. Активированный уголь суперконденсаторного качества может стоить 15 долларов за килограмм.
Два инженерных исследователя из государственного университета Южной Дакоты используют биоуголь, недорогой богатый углеродом материал и новый метод создания пористой поверхности, необходимой для улавливания электричества, чтобы снизить стоимость суперконденсаторов.
Доцент кафедры электротехники и информатики Ци Хуа Фань использует плазменное травление для активации biochar. Доцент кафедры сельскохозяйственной и биосистемной инженерии Чжэнжун Гу использует активированный биоуголь для производства суперконденсаторов. Биочар — это побочный продукт процесса пиролиза, который превращает растительные материалы в биотопливо.
Активация biochar
«Сырой biochar необходимо активировать, чтобы создать пористую структуру, необходимую для захвата ионов», — пояснил Фан. Традиционная химическая активация требует высокой температуры в диапазоне 1700 по Фаренгейту в течение двух часов и химического катализатора с последующей химической промывкой и длительной сушкой. Это делает его энергоемким и трудоемким процессом.
Древесный уголь biochar может быть получен из растительных остатков, таких как кукурузная солома, древесина или даже высушенное зерно дистилляторов с растворимыми веществами, известными как DDGS.
Однако для этого исследования Fan использовал коммерчески доступный biochar из желтой сосны.
Он объяснил, что несколько исследовательских групп проанализировали удельную емкость и производительность этого типа биоугля, «так что у нас был исходный уровень."Кроме того, компания может поставить количество биоугля, необходимое для обеспечения повторяемости результатов испытаний.
Для плазменного травления использовался кислород, который возбуждался радиочастотой через диэлектрический барьерный разряд. Затем Фэн дал активированный биочар Гу, который сделал суперконденсаторы.
Исследование было поддержано пятимесячным грантом на подтверждение концепции от North Central Regional Sun Grant Center. Над проектом работали два аспиранта.
Увеличение емкости, повышение эффективности
Когда исследователи сравнили характеристики конденсаторов, они обнаружили, что конденсаторы, изготовленные с использованием плазменной обработки, имели 1.В 7 раз больше удельная емкость, 171.4 фарада по сравнению с 99.5 фарадов с использованием химической активации. "Это большое улучшение", — отметил Фан.
Процесс занял всего пять минут без необходимости внешнего нагрева или химикатов. «Это очень быстро и потребляет очень мало энергии», — отметил он. "Энергия, необходимая для активации biochar, эквивалентна энергии, которую мы используем для лампочки."
В статье, опубликованной в Journal of Power Sources, Фан, Гу и доцент физики Парашу Харель объясняют, что «кислородная плазма способна создавать поры различного размера, которые обеспечивают легкий доступ ионов электролита к пористой поверхности, что приводит к более высокому уровню емкость, чем химически активированный biochar."
Кроме того, конденсаторы, активируемые кислородной плазмой, имели более низкое расчетное сопротивление, 3.3 Ом вместо 14.5 Ом для химически обработанных конденсаторов.
Это было связано с тем, что ионы имеют более легкий доступ к микропорам и мезопорам, созданным при плазменной обработке.
И Фан добавил: «Желтая сосна — не лучший биоуголь для суперконденсаторов."Он ожидает аналогичного улучшения производительности при использовании биоугля, полученного из других видов биомассы.
Однако он отметил, что процесс должен быть оптимизирован для каждого типа конструкции. «Активация зависит от того, какая плазма, какие условия используются и как долго мы обрабатываем материал."
Фан подал заявку на патент на разработанный им процесс плазменной активации.
Следующим шагом будет подача заявки на финансирование для расширения этой многообещающей технологии обработки для других видов биоугля.
«Независимо от того, какие параметры мы в конечном итоге получим, это будет очень эффективно», — добавил он.