热效应 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。太阳能光热转换是收集和利用太阳能的技术手段，具有转换效率高、成本低的优点。目前，光热转换已经应用于许多领域，如海水淡化、光热医疗等。，但仍有许多潜在的应用有待开发。超级电容器是一种常见的储能装置，具有功率密度高、循环寿命长、充放电速度快等优点。然而，像其他储能设备一样，超级电容器在较低温度下往往表现出较低的性能，有时甚至无法工作。因此，研究一种环境可持续和低成本的方法来妥善解决上述问题具有重要意义。本文提出了一种新的思路，即利用太阳光的光热效应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。它为太阳能应用打开了新的窗口，为储能装置提供了新的思路。

近日，北京大学刘忠范院士和北京石墨烯研究所研究员狄威的第一作者方艺(合著通讯)以及任华英、戴可仁等人发现，在光照条件下，由于光热效应，超级电容器的电容、能量密度和功率密度都有很大提高。超级电容器采用具有全光谱高吸光率和高热导率的三维多层石墨烯作为电极。在一个太阳光照下(1kw·m-2)，超级电容器在整个太阳光谱范围内的光吸收率> 92.88%，光热响应时间

图1光热效应增强电容器和超级电容器典型结构示意图

(a)通过光热效应增加电容的示意图；

超级电容器的光学照片；

戴在手指上的超级电容器的照片；

(4)三维多级结构石墨烯的扫描电镜全局图像；

(五)三维多级结构石墨烯自支撑骨架表面石墨烯纳米片的扫描电镜放大图像。

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；

(d)超级电容器在0.41、0.72和1kW·m-2光强下的光热响应曲线；

超级电容器在一次阳光照射下的红外图像。

图3室温无光照和一次太阳光照射下超级电容器电化学特性的表征

(a)无光情况下不同扫描电压速率下超级电容器的CV曲线；

(b)一次太阳光照射下不同扫描电压速率下超级电容器的CV曲线；

(c)无光和一束阳光扫描速度5mV·s-1下超级电容器CV曲线对比图；

无光条件下不同DC充放电速率下超级电容器的气相色谱-质谱曲线

(5)在一次太阳光照射下，不同DC充放电速率下超级电容器的气相色谱-质谱曲线；

(3.3毫安·厘米-3 DC充放电速率下的超级电容器在无光和一个太阳光下的GCD曲线对比图；

(g)由CV曲线计算的体积比容量曲线；

(h)由GCD曲线计算的体积比容量曲线；

(一)无光和一束阳光下超级电容器的交流阻抗图。

图4不同光强下超级电容器的电化学性能图

(a)光热平衡温度和光照强度之间的关系；

(b)不同光强下5mv·s-1扫描速度下超级电容器的CV曲线；

3.3毫安·厘米-3 DC充放电速率下超级电容器在不同光强下的气相色谱-质谱曲线；

(d)通过d)CV曲线计算出不同光照强度下超级电容器的体积比电容图；

(e)由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)不同光强下超级电容器的交流阻抗图；

(g)超级电容器的能量密度和光照强度之间的关系；

超级电容器的功率密度和照度之间的关系。

图5超级电容器在不同加热温度下的电化学性能图

(a)不同加热温度下扫描速度为5mV·s-1的超级电容器的CV曲线；

3.3毫安·厘米-3 DC充放电速率下超级电容器在不同加热温度下的气相色谱-质谱曲线；

(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下，由CV曲线计算的体积比电容对比图；

(e)在相同的加热温度和光热平衡温度下，由GCD曲线计算出的体积比电容对比图。

[摘要]

在阳光照射下，由于光热效应，超级电容器的电容、能量密度和功率密度增强。一种以具有全光谱高光吸收率和高热导率的三维多级结构石墨烯为电极的超级电容器，其光吸收率为92.88%。在一次太阳照射下，地表温度变化(δ t)约为39℃。与室温无光照的情况相比，在一次太阳光照射下，伪电容超级电容器的电容、能量密度和功率密度分别提高到1.5倍、1.5倍和1.6倍。双层超级电容器的电容增加到3.7倍。本文的这一概念和策略具有普适性，也可以应用于其他基于光热转换效率高的材料的超级电容器，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能量存储设备，如电池。这个方向下一步的研究可以包括不断提高光热转换效率，缩短光热响应时间，提高电化学循环稳定性，更精确地控制光照下的电化学性能。这一概念也可用于开发新的传感设备，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境友好和可持续的技术手段来解决储能装置在寒冷冬季或火星表面的性能退化问题。总之，这项工作为太阳能应用开辟了一个新的领域，为储能装置的发展提供了新的研究和设计思路。

文献链接:太阳能热驱动超级电容器的容量增强(能源环境。sci。，2018，doi: 10.1039/c8ee01244j)。

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