研究人员开发太阳能超级电容器原型 可在汽车中利用太阳能发电和储存太阳能

admin 2021年7月12日00:00:00京牌出租评论46阅读模式

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企信京牌 ,研究人员开发了一种复合材料板,可以作为光伏电芯利用太阳能发电,同时作为结构性超级电容器储存能量。

(图片来源:AZOM)

在带有离子交换可充电电池的中,这些面板可用于车身结构件,并形成混合储能系统(HESS)。相对于传统电动汽车,在1000W/m 2的太阳辐照度下,该类复合板原型每小时可额外提供4.56%的发电量和续航里程。

将太阳能超级电容器作为电动汽车车身面板

在电动汽车内,借助于具有成本效益的混合储能系统,可以整合若干种可再生能源,从而提高效率。其中,与燃料电池和电化学电池相比,超级电容器具有诸多优点,如功率密度更高、充电时间更短和循环寿命更长。

在车顶使用光伏电池来收集太阳能很常见。然而,利用同样的设备来储存此类能量,或将改变混合动力电动汽车领域的游戏规则。太阳能超级电容器(SSC)是用于收集和存储太阳能的电容器。

碳材料是超级电容器中最常用的电极材料,其中碳纤维(CF)被证明是双电层电容器(EDLC)的最佳候选材料。受益于一维性,CF具有优越的电荷输运性能,因其纤维表面存在大量气孔,对离子具有较高的吸附能力。CF、环氧树脂(ER) 等导电聚合物,再加上 ZnO/CuO等金属氧化物,这类组合可用作高性能SSC的电极。

 

本项研究

研究人员将薄纸膜夹在ZnO-ER和CuO-ER层之间,以制备具有不同组成的若干种SSC基复合板原型。纸膜被浸泡在Na2SO4电解质中,Na2SO4电解质可作为CF电极之间的介质。此外,ZnO-ER层和CuO-ER层上都覆盖了两层CF片。在存在太阳能光子的情况下,CF嵌入式n型电极(ZnO-CF)捐赠电子,而CF嵌入式p型电极 (CuO-CF)接受电子。两个电极-ZnO-CF和CuO-CF-,和电解质Na2SO4形成双电层超级电容器。

CuO能够促进ZnO纳米结构表面的电子转移,因其具有较大的表面积和高催化活性,同时也促进了反应进程。因此,合成ZnO/CuO基复合电极材料,有助于缩短充电时间。

导电聚合物ER使ZnO/CuO的纳米结构更加紧凑,因此电荷储存时间更长,而不会像传统电容器那样放电过快。借助于导电聚合物,此类电池板还可以利用太阳能,将其转化为电能。

 

观察结果

研究团队发现,随着ZnO/CuO含量增加,SSC样品的电导率有所提高。此外,将20gsm的纸浸泡在Na2SO4电解质中的样品,比带有普通绝缘纸的样品具有更高的电容量。然而,用普通ER合成的CF电极的导电性降低。通过增加量子点、能带间隙中激子产生的效应,从而产生特殊的光学效应,促进电子输运和收集,并提高有机SSC的效率。

不同的性能测试表明,优化样品的能量转换效率为17.78%,开路电压为0.79 mV,电流密度为222.22 A/m2,电容为11.17 μF/cm2,能量密度为120 Wh/kg,功率密度为29 kW/kg。

在太阳能辐照度为1000W/m 2的情况下,充满电的SSC每小时可为传统电动汽车额外提供4.56%的发电量和的续航里程。在相同的功率输出下,SSC有可能将电动汽车(model 3)的电池尺寸减少10%,重量减轻7.5%。

 

结论

研究人员为电动汽车HEES开发了一种优化SSC原型面板,可以利用和储存太阳能。该面板储能系统具有多种功能特性,如减轻重量、储能/按需供应,以及作为绝缘体保护车身,使其免受外部热量影响。这些SSC的电极由CF、导电聚合物和ZnO、CuO等金属氧化物制成。

样本数据表明,此类HEES能够满足电动汽车及其附件负载的功率和能量需求,以及在多个存储系统之间精确分配功率。这些SSC有助于提高电动汽车行业的可持续性、成本效益和能源效率。

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