​碳气凝胶电极的电化学电容器、电吸附元件

碳气凝胶电极的电化学电容器

未来的电动和混合动力汽车将需要一些额外的动力来快速加速或爬山。电力传动的能源/电力储存技术的发展仍然是低排放车辆商业化面临的最大挑战之一。而其最需要的是将高比能量(即每单位重量或体积的能量)与高比功率组合的高效且低成本的系统。一个可行的解决方案是混合概念,其中高能量密度电池与诸如超级电容器的高功率密度器件耦合。

超级电容器的设计是用于快速储存和释放大量能量的电化学储能装置。它们通常被称为“双层电容器”,因为它们将电荷存储在极化的固体/电解质界面处。这种现象由电极材料的可用表面积和适当的孔径分布引起的。碳气凝胶由于其低电阻率(<25 mohm*cm),可控的孔径分布(5-500 A)和高比表面积和体表面积(分别为1000m2/g和500m2/cm3)而成为了理想的电极材料。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员已经开发出了基于碳气凝胶电极的空气电容器。

空气电容器(aerocapacitor)由正和负晶片薄度的(0.125mm)碳气凝胶电极组成。电极用电解液润湿的微孔隔板分开。原型装置已经在水(1V/cell)和有机电解质(3V/cell)中进行组装完成。水性空气电容器的能量和功率密度分别为2Wh/Kg和8KW/Kg。这些性能值比常规电解电容器高出约两个数量级。

碳气凝胶电极的电吸附元件

研究人员最近开发了一种使用碳气凝胶电极的新型电化学分离方法,用于从水流中除去离子杂质。一个单元(单个)由两个碳气凝胶电极组成。它是不分割的,在运行期间不使用膜材料。含有溶解离子的废液只需要通过一堆耦合的碳气凝胶电极,就可以达到分离的目的。在一些简单的情况下,带电杂质被传送到电极表面,并且可以静电保持在通常为1至10nm(10至100A)厚的双层中。然而,在大多数情况下,例如含有大量多价含氧阴离子或重金属的废液,分离手段则更为复杂。物理吸附,化学吸附,电沉积和/或电泳都有可能是其主要机制。Cr系统的结论性实验数据和LLNL积累的广泛成果支持这一解释。在堆叠饱和后,通过在0V下放电完成重生过程,或者在-1.2V下通过反向极化来实现。反向极化可以增加再生效果和/或重新活化碳气凝胶电极。研究人员已经证明在碳气凝胶电极上的电吸附过程优于先前的由活性炭粉末或填充碳颗粒组成的电极的过程。

基于气凝胶的电吸附研究已经在实验室规模(10-40GPD,总溶解固体为50-500ppm,TDS)下处理各种阳离子和阴离子。这些离子代表了地下含水层,海水和储罐中的主要物质(如Na+,NH4+,Cl-,ClO4-,NO3-)。此外,许多重金属离子(铜,锌,镍,镉,铬,铅和铀)可从含废液中除去。

这种使用碳气凝胶的电吸附方法是无污染,高能效的。是一种潜在的可替代其他去离子技术如反渗透,离子交换和蒸发的具有竞争性的方法。这种潜在应用还包括用于化石燃料和核电厂的锅炉水的回收,用于生物技术和半导体加工的超纯水,软化家庭用水,以及淡化咸水和海水。

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