Harald Fitzek, Qamar Abbas and Christian Prehal (in front) at the Anton Paar SAXSpoint 2.0 | © Lunghammer – TU Graz

環保儲能

2020-10-12 | Corporate

類似於電池,超級電容器適用於重複存儲電能。格拉茨大學的研究人員在科學雜誌“Nature Communications”中提出了這種超級電容器的一種特別安全且可持續的變體。這項研究是使用安東帕的SAXS系統

有限的安全性、可持續性和可回收性是當今鋰離子電池技術的主要缺點,同時原材料(例如鈷)的供應也受到限制。因此,格拉茨
工業大學的研究人員開始使用安東帕技術(SAX​​Spoint 2.0)的替代能源存儲系統。

超級電容器
他們深入研究的結果是“混合超級電容器”,即電池和電容器的組合。它可以像電容器一樣快速充電和放電,並且可以存儲幾乎與傳統電池一樣多的能量。與後者相比,它可以更快、更頻繁地充電和放電:鋰離子電池的使用壽命可達幾千次,而超級電容器則可達到約一百萬次充電。

由碳和鹽水製成的系統
Christian Prehal解釋:這種混合超級電容器的一種特別可持續且至今尚未開發的變體,由碳和碘化鈉(NaI)水溶液組成,具有正極電池電極和負極超級電容器電極。碳電極和碘化鈉水溶液,換句話說就是鹽水,這使得該系統特別環保、成本效益高、不燃且易於回收。”他是該研究的第一作者,最近從格拉茨大學材料化學與技術研究所轉移到蘇黎世聯邦理工學院。

SAXSpoint 2.0
上的小角度X-Ray測量
借助小角度X-Ray散射和拉曼光譜,研究人員能夠首次證明在充電過程中在電池電極的碳奈米孔中形成了固態碘奈米顆粒,該奈米顆粒在放電過程中又溶解了。正如Christian Prehal解釋的那樣,這糾正了先前假定的反應機理,並產生了深遠的影響:“只有由於小於1奈米(百萬分之一毫米)的奈米孔的小尺寸,固體碘才能保持穩定。用固態碘填充奈米孔決定了電極中可以存儲多少能量。通過將所有化學能存儲在固態碘顆粒中,碘碳電極的能量存儲能力達到了意想不到的高值。”這些新的基礎知識為混合超級電容器或電池電極開闢了道路,該超級電容器或電池電極具有無與倫比的更高能量密度和極快的充電和放電過程。

通過有針對性的改進,現在可以將混合超級電容器用作固定儲存電能的安全、不易燃、具有成本效益和可持續的替代方案。特別是對於個人家庭中光伏電池的能量存儲而言,這可能是一個有吸引力的選擇。

電化學儲能系統的新研究方法
研究人員在應用調查方法方面取得了另一項突破。在拉曼光譜學中,光與物質的相互作用用於深入了解材料的結構或性質。小角度X-Ray散射(SAXS)使電化學反應過程中的結構變化可見。兩種方法都是在操作中發生的,即在專門開發的電化學電池的充電和放電過程中進行的。 “操作拉曼光譜和操作SAXS都是在電子顯微鏡和奈米分析研究所(FELMI)以及格拉茨工業大學的軟物質應用實驗室中首次在具有NaI電解質水溶液的混合超級電容器上進行的。在進行SAXS調查之後,我們開發了一種用於電池和電化學儲能設備的特殊測量單元。” Prehal解釋說。工作結果表明,操作SAXS非常適合在奈米級上追蹤超級電容器或電池中的結構變化,並且在充電和放電過程中可以直接“激活”。因此,這種新的研究方法可在將來在電化學能量儲存領域中廣泛使用。

BatteryCell SAXS
在該項目中開發了SAXS電池。該電池元件現已上市。 Stefan Freunberger(直到最近才在TU GrazITCM,現在是奧地利科學技術研究所)、Christian Prehal和來自安東帕的同事都在這一發展方面進行了合作。