​碳氣凝膠電極的電化學電容器、電吸附元件

碳氣凝膠電極的電化學電容器

未來的電動和混合動力汽車將需要一些額外的動力來快速加速或爬山。電力傳動的能源/電力儲存技術的發展仍然是低排放車輛商業化面臨的最大挑戰之一。而其最需要的是將高比能量(即每單位重量或體積的能量)與高比功率組合的高效且低成本的系統。一個可行的解決方案是混合概念,其中高能量密度電池與諸如超級電容器的高功率密度器件耦合。

超級電容器的設計是用於快速儲存和釋放大量能量的電化學儲能裝置。它們通常被稱為“雙層電容器”,因為它們將電荷存儲在極化的固體/電解質界面處。這種現象由電極材料的可用表面積和適當的孔徑分佈引起的。碳氣凝膠由於其低電阻率(<25 mohm*cm),可控的孔徑分佈(5-500 A)和高比表面積和體表面積(分別為1000m2/g和500m2/cm3)而成為瞭理想的電極材料。勞倫斯·利弗莫爾國傢實驗室的研究人員已經開發出瞭基於碳氣凝膠電極的空氣電容器。

空氣電容器(aerocapacitor)由正和負晶片薄度的(0.125mm)碳氣凝膠電極組成。電極用電解液潤濕的微孔隔板分開。原型裝置已經在水(1V/cell)和有機電解質(3V/cell)中進行組裝完成。水性空氣電容器的能量和功率密度分別為2Wh/Kg和8KW/Kg。這些性能值比常規電解電容器高出約兩個數量級。

碳氣凝膠電極的電吸附元件

研究人員最近開發瞭一種使用碳氣凝膠電極的新型電化學分離方法,用於從水流中除去離子雜質。一個單元(單個)由兩個碳氣凝膠電極組成。它是不分割的,在運行期間不使用膜材料。含有溶解離子的廢液隻需要通過一堆耦合的碳氣凝膠電極,就可以達到分離的目的。在一些簡單的情況下,帶電雜質被傳送到電極表面,並且可以靜電保持在通常為1至10nm(10至100A)厚的雙層中。然而,在大多數情況下,例如含有大量多價含氧陰離子或重金屬的廢液,分離手段則更為復雜。物理吸附,化學吸附,電沉積和/或電泳都有可能是其主要機制。Cr系統的結論性實驗數據和LLNL積累的廣泛成果支持這一解釋。在堆疊飽和後,通過在0V下放電完成重生過程,或者在-1.2V下通過反向極化來實現。反向極化可以增加再生效果和/或重新活化碳氣凝膠電極。研究人員已經證明在碳氣凝膠電極上的電吸附過程優於先前的由活性炭粉末或填充碳顆粒組成的電極的過程。

基於氣凝膠的電吸附研究已經在實驗室規模(10-40GPD,總溶解固體為50-500ppm,TDS)下處理各種陽離子和陰離子。這些離子代表瞭地下含水層,海水和儲罐中的主要物質(如Na+,NH4+,Cl-,ClO4-,NO3-)。此外,許多重金屬離子(銅,鋅,鎳,鎘,鉻,鉛和鈾)可從含廢液中除去。

這種使用碳氣凝膠的電吸附方法是無污染,高能效的。是一種潛在的可替代其他去離子技術如反滲透,離子交換和蒸發的具有競爭性的方法。這種潛在應用還包括用於化石燃料和核電廠的鍋爐水的回收,用於生物技術和半導體加工的超純水,軟化傢庭用水,以及淡化咸水和海水。

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