超級(jí)電容器(supercapacitor)又稱(chēng)“超級(jí)電容”(ultracapacitor)，其儲(chǔ)能方式與電池類(lèi)似，但關(guān)鍵差異在于其能在極短時(shí)間內(nèi)釋放大量電能，而非像電池一樣分?jǐn)?shù)小時(shí)釋放。因此，這類(lèi)高功率密度的儲(chǔ)能系統(tǒng)特別適合短期供電需求，例如用于關(guān)鍵任務(wù)備用的發(fā)電設(shè)備。此外，它們也能滿(mǎn)足設(shè)備中瞬時(shí)變化的能源需求，例如筆記本電腦、相機(jī)，甚至是具備能量回收功能的可穿戴設(shè)備。
盡管與電池相比，超級(jí)電容器無(wú)法提供穩(wěn)定且持久的電力，因此不太可能完全取代電池在特定應(yīng)用中的角色，但它們可以與電池互補(bǔ)，針對(duì)一些電池難以克服的限制提供解決方案。
以下將探討目前研究人員如何通過(guò)新材料與技術(shù)提升超級(jí)電容器表現(xiàn)，并彌補(bǔ)傳統(tǒng)電源技術(shù)的空缺。
使用環(huán)保的方式制造超級(jí)電容器
市面上的電子產(chǎn)品(如智能手表、健身手環(huán))常配備超級(jí)電容器，用來(lái)為需要快速爆發(fā)能量的組件供電，來(lái)支持電池滿(mǎn)足峰值功率的需求，智能手機(jī)的閃光燈就是很好的例子。
然而，傳統(tǒng)制造超級(jí)電容器電極活性炭所用的工藝不但耗時(shí)，且能源消耗巨大。有研究人員致力于以食物垃圾來(lái)制造智能手機(jī)專(zhuān)用的超級(jí)電容器，試圖解決這一問(wèn)題。
具體方法是使用山竹果殼來(lái)提煉制作電極用的活性炭，用這些碳材料來(lái)儲(chǔ)存電荷。研究人員開(kāi)發(fā)出一種干燥工藝，先將果殼干燥后在無(wú)氧環(huán)境下加熱，隨后使用特定化學(xué)物質(zhì)將其轉(zhuǎn)化為所需材料。山竹果外殼碳含量可達(dá)45%，因此具備作為超級(jí)電容器電極原料的潛力。
與傳統(tǒng)方法相比，這種新方法省略了約5小時(shí)的高溫?zé)崽幚黼A段，因此更能耗更低，也更有可能被商業(yè)化。根據(jù)估算，每5磅(約2.3公斤)山竹果殼就可制造數(shù)百顆超級(jí)電容器。
對(duì)于追求可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的制造商來(lái)說(shuō)，這種替代方案尤其值得探索。同時(shí)也能向相關(guān)人員展示企業(yè)在實(shí)踐環(huán)保工藝方面的誠(chéng)意。相比之下，鋰離子電池報(bào)廢后，其所含鋰回收率不到1%。若能使用環(huán)保技術(shù)為智能手機(jī)制造超級(jí)電容器，將有望減少?gòu)U棄物，并使制造商規(guī)避鋰電池回收率低的問(wèn)題。
幾秒內(nèi)充電完畢，無(wú)需等待數(shù)小時(shí)
大多數(shù)人雖喜歡電池產(chǎn)品的便攜，但也對(duì)充電所需的超長(zhǎng)時(shí)間頗有微詞。在外出時(shí)找到電源插座并等待這么久顯然不方便。超級(jí)電容器在這方面，可能大有可為。由于其功率密度高于傳統(tǒng)電池，充電時(shí)間也大幅縮短，未來(lái)可能成為高頻率使用設(shè)備中的絕佳選擇。
舉例來(lái)說(shuō)，鉛酸電池充電時(shí)間約需5到14小時(shí)不等，而超級(jí)電容器僅需30秒內(nèi)即可充滿(mǎn)。在同一應(yīng)用中并用電池與超級(jí)電容器，可有效緩解尖峰功耗對(duì)電池壽命的影響。
有一位研究人員利用其化學(xué)工程背景來(lái)改進(jìn)儲(chǔ)能設(shè)備，專(zhuān)注于改善電子產(chǎn)品與車(chē)輛中的儲(chǔ)能設(shè)備。他指出，超級(jí)電容器的最大吸引力正是其速度——充電快、釋放能量也快。
他的研究深入探討了帶電離子在電容器微孔結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)。超級(jí)電容器表面孔隙越多，其電容就越高，理解離子的運(yùn)動(dòng)行為有助于工程師進(jìn)一步控制其充放電速率。這些發(fā)現(xiàn)有望催生未來(lái)更高效的設(shè)備，讓筆記本電腦、手機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)的電池在幾分鐘內(nèi)快速充電。
該研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)開(kāi)發(fā)出了一套用于預(yù)測(cè)離子運(yùn)動(dòng)的模擬方法，可于數(shù)分鐘內(nèi)完成模擬，進(jìn)一步加速超級(jí)電容器在日常設(shè)備中的應(yīng)用潛力。
用樹(shù)膠減緩超級(jí)電容器老化
電池因反復(fù)充放電而逐漸劣化，因此消費(fèi)者會(huì)發(fā)現(xiàn)平板、無(wú)線耳機(jī)等設(shè)備的續(xù)航會(huì)隨時(shí)間的推移而縮短。雖然市面上常建議將電量維持在20–80%范圍以減少劣化，但在實(shí)際使用情況下并不容易做到，因此科學(xué)家們正積極尋找替代方案。
超級(jí)電容器同樣也會(huì)隨充放電循環(huán)而衰退。來(lái)自蘇格蘭、韓國(guó)和印度的科學(xué)家共同發(fā)現(xiàn)，一種產(chǎn)自印度的樹(shù)膠可以防止超級(jí)電容器性能退化。該研究團(tuán)隊(duì)將這種樹(shù)膠制成多孔生物聚合物(spongy biopolymer)，再加入超級(jí)電容器的酸性電解液中，形成保護(hù)層。實(shí)驗(yàn)顯示，這種保護(hù)層能有效減緩電極退化，同時(shí)不會(huì)影響離子傳輸過(guò)程，也就是說(shuō)不會(huì)降低其充放電效率。
他們進(jìn)一步測(cè)試這種方法在高循環(huán)下的效果。在經(jīng)過(guò)3萬(wàn)次充電循環(huán)后，加入樹(shù)膠保護(hù)層的超級(jí)電容器仍保有93%的總儲(chǔ)能容量，而未添加的則降至58%。此外，研究人員指出，這種樹(shù)膠在當(dāng)?shù)貛缀鯖](méi)有實(shí)用價(jià)值，甚至難以妥善處理。
研究人員表示，添加這種生物聚合物的超級(jí)電容器，壽命有望延長(zhǎng)至80年。
這項(xiàng)創(chuàng)新不僅改善了超級(jí)電容器的性能與耐用性，同時(shí)具備極高的環(huán)境友好性與可回收性，將有助于提升其在電子設(shè)備與電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，并進(jìn)一步減少因充放電退化所產(chǎn)生的電子廢棄物。此外，該電極添加劑可回收利用且可分解，十分有助于可持續(xù)發(fā)展。
用于超級(jí)電容的樹(shù)膠KS添加劑開(kāi)發(fā)過(guò)程示意圖。(來(lái)源：University of Glasgow)
將超級(jí)電容器定位為問(wèn)題解決方案
這些例子說(shuō)明，只要與電池互補(bǔ)使用，超級(jí)電容器就能克服許多現(xiàn)代電源技術(shù)的缺點(diǎn)。對(duì)工程師、產(chǎn)品設(shè)計(jì)師與開(kāi)發(fā)人員而言，關(guān)鍵在于分析傳統(tǒng)能源技術(shù)的瓶頸，并思考超級(jí)電容器是否能提供補(bǔ)充甚至替代的解決方案。善用這類(lèi)新興技術(shù)，將能讓未來(lái)的電子產(chǎn)品更高效、更可持續(xù)。
