Energ. Environ. Sci.：光热效应增强超级电容器电容

【引言】

太阳能是一种储量丰富的新能源，太阳光光热转换是一种收集利用太阳能的技术手段，具有转换效率高和造价低等优点。光热转换目前已经被应用到许多领域如海水淡化、光热医疗等，但仍有许多潜在的应用等待开发。超级电容器是一种常见的储能器件，具有功率密度高、循环寿命长和充放电速率快等优点。但与其他储能器件一样，超级电容器常常在较低的温度下表现出较低的性能，有时甚至会无法工作。因此，研究一种妥善解决上述问题的环保可持续并且造价低的途径具有十分重要的意义。本文提出了一种新思路，利用太阳光照射时的光热效应来提高超级电容器的温度进而提高其电容、能量密度和功率密度，打开了太阳能应用的新窗口并且为储能器件提供了新思路。

【成果简介】

近日，北京大学的刘忠范院士和北京石墨烯研究院的魏迪研究员（共同通讯）的第一作者衣芳，共同一作任华英、戴可人作者等人发现，在光照下，由于光热效应，超级电容器的电容、能量密度和功率密度都得到大幅提高。超级电容器采用具有全光谱高光吸收率及高热导率的三维多级结构石墨烯作为电极，在1个太阳光照（1 kW m^-2）条件下，超级电容器在整个太阳光谱范围光吸收率> 92.88％，光热响应时间<200 s，表面温度变化约39℃。在1个太阳光照下，赝电容器型超级电容器的电容增加到约1.5倍；双电层型超级电容器的电容增加到约3.7倍。这项工作为太阳能应用提供了新的途径，为能源存储设备的开发提供了新的设计思路。相关成果以“Solar thermal-driven capacitance enhancement of supercapacitors”为题发表在Energy & Environmental Science上。

【图文导读】

图 1 光热效应增强电容和超级电容器典型结构的示意图

（a）通过光热效应增加电容的示意图；

（b）超级电容器的光学照片；

（c）戴在手指上的超级电容器的照片；

（d）三维多级结构石墨烯的SEM全局图像；

（e）在三维多级结构石墨烯自支撑骨架表面的石墨烯纳米片的SEM放大图像。

图 2 超级电容器的光吸收和光热响应

（a）超级电容器的透射光谱图；

（b）超级电容器的反射光谱图；

（c）超级电容器的吸收光谱图；

（d）超级电容器在光照强度分别为0.41、0.72和1kW m^-2时的光热响应曲线；

（e）超级电容器在1个太阳光照射过程中的红外图像。

图 3 在室温无光照和1个太阳光照下，超级电容器的电化学特性表征

（a）在无光照时，超级电容器的不同扫描电压速率下的CV曲线图；

（b）在1个太阳光照射时，超级电容器的不同扫描电压速率下的CV曲线图；

（c）在无光照和1个太阳光照射时，超级电容器在5 mV s^-1扫速下的CV曲线对比图；

（d）在无光照时，超级电容器的不同直流充放电速率下的GCD曲线图

（e）在1个太阳光照射时，超级电容器的不同直流充放电速率下的GCD曲线图；

（f）在无光照和1个太阳光照射时，超级电容器在3.3 mA cm^-3直流充放电速率下的GCD曲线对比图；

（g）采用CV曲线计算的体积比容量曲线图；

（h）采用GCD曲线计算的体积比容量曲线图；

（i）在无光照和1个太阳光照射时，超级电容器的交流阻抗图。

图 4 不同光照强度下，超级电容器的电化学性能图

（a）光热平衡温度与光照强度之间的关系图；

（b）不同光照强度下，超级电容器在5 mV s^-1扫速下的CV曲线图；

（c）不同光照强度下，超级电容器在3.3 mA cm^-3直流充放电速率下的GCD曲线图；

（d）CV曲线计算的超级电容器在不同光照强度下的体积比电容图；

（e）GCD曲线计算的超级电容器在不同光照强度下的体积比电容图；

（f）不同光照强度下，超级电容器的交流阻抗图；

（g）超级电容器能量密度与光照强度的关系图；

（h）超级电容器功率密度与光照强度的关系图。

图 5 不同加热温度下，超级电容器的电化学性能图

（a）不同加热温度下，超级电容器在5 mV s^-1扫速时的CV曲线图；

（b）不同加热温度下，超级电容器在3.3 mA cm^-3直流充放电速率下的GCD曲线图；

（c）不同加热温度下，超级电容器的交流阻抗图；

（d）在相同加热温度和光热平衡温度时，CV曲线计算的体积比电容对比图；

（e）在相同加热温度和光热平衡温度时，GCD曲线计算的体积比电容对比图。

【小结】

在太阳光照下，由于光热效应，超级电容器的电容、能量密度和功率密度都得到了增强。使用全光谱高光吸收率和高热导率的三维多级结构石墨烯作为电极的超级电容器，在全太阳光谱范围内具有> 92.88％的光吸收率。在1个太阳光照下，表面温度变化（ΔT）约为39℃。室温下与无光照时相比，在1个太阳光照射下，赝电容型超级电容器的电容、能量密度和功率密度分别增加到〜1.5倍，〜1.5倍和〜1.6倍；双电层型超级电容器的电容增加到〜3.7倍。本文的这种概念和策略具有普适性，还可以适用于其他基于高光热转换效率材料的超级电容器，如其他碳材料和纳米结构金属（如金、铝）。它也可以应用于其他类型的储能器件，如电池。沿此方向下一步的研究可以包括继续提高光热转换效率，缩短光热响应时间，改善电化学循环稳定性，以及更精确地控制光照下的电化学性能等；还可以利用此概念发展新型传感器件如触发器、光学或温度传感器等。本文的概念和策略有望作为一种环保可持续的技术手段来解决储能器件在寒冷冬天或火星表面等低温环境条件下的性能下降问题。总之，这项工作为太阳能应用开辟了新的领域，并为储能器件的发展提供了新的研究和设计思路。

文献链接：Solar thermal-driven capacitance enhancement of supercapacitors（Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/ C8EE01244J）。

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