研究人员探索改进超级电容器的新材料和方法

超级电容器（也称为超级电容器）与电池类似地储存能量。但是，它们分配电力的速度非常快，而不是需要数小时。作为高功率密度储能系统，它们可以很好地用作短期电源，例如用于关键任务应用的备用发电机。这些选项还可以满足笔记本电脑和相机等设备中波动的能源需求，或为能量收集可穿戴设备提供存储功能。

电池提供比超级电容器相对更稳定和更持久的能源，因此后者不会在此类应用中取代它们。但是，有机会使用这两种技术来解决特定的限制和挑战。

以下是研究人员如何探索新材料和改进超级电容器的方法，以填补更传统电源留下的空白。

制造超级电容器的环保选择

智能手表和健身追踪器等流行的电子产品通常包含超级电容器，通过支持需要快速能量爆发的组件来支持电池满足峰值功率需求。智能手机相机闪光灯就是很好的例子。

然而，在超级电容器电极中制造活性炭的典型过程既费时又费能。一位研究人员正在利用食物垃圾制造智能手机超级电容器。

这项工作的重点是在超级电容器电极中使用山竹果皮作为活性炭，这些电极储存电荷。研究人员开发了一种干燥它们的方法，在没有氧气的情况下加热水果残渣，并使用化学品将它们变成所需的格式。山竹的外部含有高达 45% 的富碳化合物，使其成为未来超级电容器的可行候选者。

制造活性炭的典型过程更耗时，但这种方法消除了 5 小时的加热阶段，使用更少的能源，使其对那些考虑商业采用的人更具吸引力。据估计，人们可以用大约 5 磅的山竹果皮制作数百个超级电容器。

制造业领导者可能希望探索这种替代方案，尤其是在努力实现可持续发展目标时。它还可能向利益相关者表明，他们对积极、环保的流程变革真正感兴趣。锂离子电池的一个经常被讨论的缺点是，一旦它们不再可用，只有不到 1% 的锂被回收利用。为智能手机制造超级电容器可以让生产商通过一种减少浪费的环保创新来绕过这一缺点。

在几秒钟内为电池充电，而不是几小时

尽管大多数人都欣赏电池供电产品的便携性，但他们认为充电所需的时间是一个明显的缺点。在这段时间内找到可用的电源插座并不总是可能的。超级电容器能帮忙吗？与传统电池相比，它们具有相对更高的功率密度，并且充电速度更快，因此可能使其更方便地安装在常用设备中。

铅酸电池也需要数小时才能充电，行业估计在 5 到 14 小时之间。为超级电容器充电需要 30 秒或更短时间。在同一应用中使用两者可以消除缩短电池可用性和整体使用寿命的直接能源需求。

一位研究人员利用他的化学工程背景来改进储能设备，例如电子产品和汽车中的电源。他认识到速度是超级电容器的主要吸引力，特别是如果它们可以实现更快的充电并加速能量释放。

他的工作更清楚地揭示了带电离子的活动，这些离子在数千个相互连接的孔隙网络中移动。使超级电容器的表面多孔会增加其电容，并了解相关的离子运动可以帮助工程师控制超级电容器的充电和放电速率。这些知识可能会产生更好的设备，让人们可以在几分钟内为未来的笔记本电脑、手机和电动汽车充电。

这位研究人员和他的团队开发了一种离子运动的模拟和预测方法，该方法可以在几分钟内工作，有可能进一步推动超级电容器在常见设备中的可能性。

用树胶防止超级电容器退化

电池退化是由于反复充电循环而发生的，这就是为什么人们注意到从平板电脑到无线耳塞的各种产品随着时间的推移逐渐不会持续很长时间。减少此问题的一种广泛建议的解决方案是在使用过程中将设备的电池充电保持在 20% 到 80% 之间。然而，这并不总是一个选项，这使得相关方渴望寻找其他可能性。

超级电容器也面临退化问题。来自三所大学的科学家合作研究了一项发现，表明来自印度的树胶可以防止超级电容器降解。这种树胶来自树皮，通常是一种废品，是该团队添加到超级电容器的酸性电解质中以形成保护层的海绵状生物聚合物中的重要成分。

实验室测试表明，添加可减缓电极降解，而不会限制超级电容器的离子传输过程进行充电和放电。该小组还进行了实验，以了解超级电容器在有和没有生物聚合物的情况下在数万次循环中的表现。

30,000 次充电循环后的结果显示，使用电极保护剂后，超级电容器保留了 93% 的总能量容量。然而，在没有生物聚合物的超级电容器中，它下降到 58%。研究人员还解释说，这种树胶几乎没有实际应用，政府官员很难丢弃。

研究人员的实验室测试还表明，含有这种生物聚合物的超级电容器可以使用长达 80 年。

这种新方法可以解决这些可持续性问题，同时提高超级电容器的性能并增加在电子设备和电动汽车中的采用潜力。它还可以减少因重复充电循环而失去效率的设备产生的电子垃圾。此外，电极添加剂是可回收和可生物降解的，支持可持续性。

将超级电容器定位为问题解决者

这些示例表明，如果与电池一起使用，超级电容器如何克服与之相关的许多问题。工程师、产品设计师和其他人最有可能通过分析与传统电源相关的关键挑战并评估超级电容器是否可以帮助克服这些挑战，从他们的努力中获得最佳结果。