同步辐射:超级电池超级容量

超级电容器

超级电容器，也被称为电化学电容器，是一种重要的和有前途的能量存储设备，因为它们可以比大多数电池更快地充放电，具有更长的寿命，并且比传统电容器具有更长的寿命。因此，在过去的十年里，超级电容器受到了极大的关注。根据储能机理的不同，超级电容器可分为电双层电容器、伪电容器和混合超级电容器电池或超级电池三大类。

假电容器利用电极活性材料在电解液中的氧化还原电化学反应来储存能量。由于涉及到整个活性材料的法拉第电荷转移，因此每电极面积的电容值远高于电双层电容器，并且电极活性材料必须在一定的工作电位范围内进行大量、快速、连续和可逆的电化学反应。因此，具有多种可切换的化学状态或价是对电极材料的基本要求。

超级电池是一种比较新的储能装置，它结合了法拉第电荷转移部分的伪电容特性作为能源，和库仑静电力部分的电双层电容特性作为电源。

超级电容器的应用范围相当广泛，包括在电动汽车上与电池形成复合动力系统，弥补电池电量不足的缺点;作为3C或医疗产品的大功率供电系统;作为备用电源存储系统;作为存储器保护装置;作为可穿戴电子设备等。

过渡金属氧化物电极材料如氧化锰、氧化铜、氧化钒、氧化镍等，不仅可以应用于锂离子电池电极材料并具有优异的储能性能，而且还可以扩展到电容器电极材料，不仅使电容器更便宜，其性能大大提高，更重要的是，它们更加环保。

2009年，全球超级电容器市场规模已超过2.75亿美元，近年来以年均21.4%的增长率持续增长。近年来，为了满足人们对便携式或可穿戴电子产品的需求，超级电容器的应用迅速增长，如在手机、可穿戴电子设备、柔性显示器等方面的应用。

超级电池的新突破

美国范德比尔特大学Cary Pint教授的研究团队最近设计了一种新型混合材料，它结合了电容器和电池的优点，非常适合制造手机等3C产品或移动设备的外壳，也是一种超级电池(混合型电容器电池)。它就像一个电容器，可以保持超长的充放电寿命周期，并且可以储存和提供相当于目前锂离子电池的能量。虽然能量密度仍然低于锂离子电池，但设计一个更大的外壳足以弥补能量的不足。更重要的是，这种设计还可以节省传统电池占用的空间，有利于产品变薄。

此外，Pinter教授预计这种超级电池材料将用于各种类型的建筑结构，如房屋的外墙和侧壁(内墙)，以及飞机和汽车的底盘。通过将这种电池材料转化为结构材料，一种与传统结构材料具有相同承载耐久性的储能装置，这种储能系统的使用寿命也比传统建筑材料的使用寿命更长。研究该技术的主要目的是开发可集成在房屋中的储能材料，从而提高屋顶太阳能电池的经济价值，实现分布式电网系统。

虽然Cary Pint教授的研究团队开发的超级电池目前只能存储约1/10的锂离子电池的能量，但它们的数量和尺寸可以作为结构材料来弥补这一点，更重要的是它们的寿命比。电池的长度是电池的1000倍，是移动设备、汽车、飞机和房屋结构的理想选择。

虽然存储的能量应该是最重要的指标，但10倍的存储能量和1000倍的使用意味着在系统的生命周期内可以存储100倍的能量。因此，这些超级电池更适合于结构应用。如果储能材料失效，每隔几年就需要更换一次，那么开发这种材料来建造房屋、汽车或飞机就没有意义了。

斯坦福大学教授组成的研究小组还将超级电容器和锂电池技术结合起来，开发了服装电池和纸电池。衣服已经成为一种轻量级的新型储能介质，可以充电，也可以与太阳能技术相结合来储存电能。就像在身上戴上一个储能装置一样，纸电池的出现有望成为一种轻薄、高效的储能装置。美国斯坦福大学教授表示，研究团队一直在设计如何将纳米技术应用到生活中，而服装电池和纸电池都是纳米技术的简单生活应用。

衣服电池的原理是将衣服的布料(纤维)浸泡在含有碳纳米管的油墨中，碳纳米管就会附着在衣服的纤维上，并具有储存电荷的能力。这项技术也可以应用到其他棉质或聚合物纤维的衣服上，使衣服具有储存电荷的能力。同时，这种设计的应用可以非常多样化，例如，电子显示器可以安装在衣服上，或者衣服可以用来给手机等电子产品充电。这种服装电池在能量储存和充电寿命方面与传统电池基本相同。

斯坦福大学教授研究组也正在开发具有太阳能充电功能的服装电池。相信由于服装电池的应用技术难度不大，材料和成本也不太高，应该在几年内实现商业化。

把衣服电池戴在身上会不会有污染或安全问题?研究团队表示，这种服装电池将采用特殊的组合包装，不会对使用者的身体造成危险。

至于纸电池，它是一种可充电的二次电池，这与目前以色列和芬兰推出的纸电池是一次电池不同。美国斯坦福大学的教授表示，该团队开发的纸电池不仅可以用于移动电子设备和可穿戴电子设备，还可以用于需要即时高容量电源的各种电气设备。根据研究小组的测试，这种纸电池可以重复充放电多达4万次，是传统锂离子电池的10倍。

纸电池的原理是将含有碳纳米管和银纳米线的特殊油墨溶液作为涂层涂在纸上。涂层将形成薄膜的一维结构，并粘附在纤维纸的表面。它将成为一种高导电性的电能存储元件，导电纸可以分别用作集电流和电极，组装成低成本、轻量化、高效率的纸电池。

我们非常需要低成本、高效率的能量存储设备，如现有的电池和电容器。然而，由于电池重量大，寿命短，在开发电动汽车和电动卡车市场方面存在重大障碍。现在有了薄纸电池，它们不仅可以用于电动汽车或混合动力汽车，还可以使电子产品更轻，使用寿命更长。在未来，纸质电子产品可以进一步发展。由于纸质电池的成本非常低，它们也非常适合电网储能。

近年来，由于电子邮件和电子书等在线电子媒体的出现，纸质印刷产品正在失去市场，几乎处于消失的边缘。现在纸电池的发明有机会为各种电子设备供电。

同步辐射技术的应用

随着人们对能源问题的日益关注，各种储能电池材料不断得到研究和开发。研究的重点一般集中在其纳米结构的设计和改进上，缺乏对实际充放电过程中电池电极与电解质之间的储能机制的探讨。特别是在超级电池中，目前只有少量的锰氧化物。讨论了水溶液和非水溶液中与氧化铜有关的材料。只有充分了解充放电过程中的储能机理，才能找到最合适的储能电极和电解质材料组合，实现电池的最佳性能。

为了探究充放电过程的储能反应和机理，往往需要用电解液进行现场试验。国家同步辐射研究中心的一些研究设备满足这一条件。采用穿透式x射线显微镜可即时观察储能电极材料在充放电过程中是否有明显的膨胀反应。充放电过程中过度膨胀容易造成储能材料的脆性和脱落，影响电池的性能和使用寿命。x射线衍射可以用来了解材料在充放电过程中的晶体相位变化，并有助于了解这些材料是否可逆。

此外，利用同步辐射x射线吸收光谱技术，配合自建实验模块，可即时观察储能电极材料在充放电过程中的电荷转移和价态变化。从实验过程中可以发现，当材料的价态变化或电荷转移越明显时，材料的储能性能越好。这一发现有助于选择最合适的氧化物价态和金属氧化物作为储能材料，并可以推断出合理的储能(电荷转移)机制。同时，该模块可以用来了解材料的稳定性，甚至建立一套可以预测电池使用寿命的程序，可以用来计算各种材料在持续充放电情况下的使用寿命，有效的剔除不良品。

在全球能源枯竭的情况下，开发高效储能电池是解决方案之一。随着材料工程技术的飞速发展，也许在未来几年内，各种布电池和纸电池都可以成为日常生活中随处可见的超级电池。