摘要：近年来，为研发超级电容，像石墨烯、活性炭这种多孔材料在储能系统中的应用越来越受到重视，科学家也利用多种化学工程技术来研究多孔材料中的电流移动。

随着新能源发电量的不断增长，全球对高性能电能存储的需求比以往任何时候都更加迫切。

对于锂电池或者钠电池储能，我们的很多读者已经很熟悉了，而超级电容器同样可以实现这一功能。

超级电容器是一种依靠孔隙中离子积累的储能设备，与电池相比，超级电容充电时间短，使用寿命长。

近年来，为研发超级电容，像石墨烯、活性炭这种多孔材料在储能系统中的应用越来越受到重视，科学家也利用多种化学工程技术来研究多孔材料中的电流移动。

最近，超级电容器领域又有了一项新突破：上海理工大学和同济大学的研究团队成功将废油转化为多孔电极碳材料，同时提高了超级电容器的性能。

该工艺将废油转化为高价值材料，其特性适合超级电容器电极，为储能行业提供了一种有前途且可持续的解决方案。该研究于今年10月发表在《废物处理与可持续能源》上。

据中国科学院新闻稿称，这种新方法提供了一种可持续的方式来制造这些超级电容器，同时解决了废物管理和能源存储的双重挑战。

该项目首席研究员徐素云博士在新闻稿中表示：“通过使用废油作为前驱体，我们不仅将废物回收成宝贵的资源，而且还创造了具有卓越性能的超级电容器材料。”

01

什么是超级电容器？

目前主流的储存电能的方式分为电池和电容器（以及超级电容器），二者也分别是化学储存电能与物理储存电能的代表性器件。

相较于利用化学反应来储存电能的化学电源——电池，电容器的原理更加直接。

电容器在工作中并没有化学反应发生，充电后的电容器负极材料表面携带过量的电子，这些电子对应数量的正电荷储存在正极材料表面。

当电容器放电时，负极过量的电子通过用电器到达正极，中和掉正极携带的正电荷，同时负极材料回归电中性。

电池储电量大，放电平台稳，放置时间长，但充/放电速度慢；电容器储电量小，放电平台不稳，放置时间短，但充/放电速度快。

电池利用化学反应储存能量，存得多但慢；电容器利用物理原理储存电荷，存得快但少。如果能将二者的优点结合，那该多方便！因此超级电容器应用而生。

超级电容器的“超级”并不是简单的电容器升级版，而是一类综合利用了电池和电容器原理的装置。

超级电容器的特点就在于使用类似电池的含有阴阳离子的电解质代替传统电容器中的电介质，使其特性介于普通电容器和电池之间。

相对传统电容器而言，超级电容器具有低温特性好、循环寿命长、功率密度大、寿命周期免维护的优点，最低使用温度可到-55℃，循环寿命长达百万次。

目前超级电容器的能量密度可以达到40 Wh/kg，已经超过铅酸电池，不过还是相对落后于锂电池。

02

从废油到优质碳材料

为了满足不断增长的能源储存需求，超级电容器需要高质量的电极材料，从而实现更大的特定表面积、更好的导电性、更均匀的空隙分布以及更高的电子传递速率。

这是许多传统材料很难达到的。

这些挑战促使科学家开始探索具有复杂多孔结构以及含有氮（N）原子的先进碳材料，这一过程称为“杂原子掺杂”。

过往的研究表明，在碳材料中引入氮原子可以有效改善电解质的化学性质并降低电荷转移电阻，这有利于提高电容器的性能。

而在最新研究中，上海理工大学和同济大学的研究人员介绍了一种创新方法，从废油中制造氮掺杂的分级多孔碳 (HPC)。

他们的方法利用高温自生压力碳化 (CAPET) 和氢氧化钾 (KOH) 活化，制备出均匀参杂氮原子的碳材料，显著提高了特定表面积、孔隙率和储能性能。

研究小组分别选择了亚油酸和三聚氰胺作为碳源前驱体和氮源。亚油酸是一种可从废油中提取的水解物；而由于高氮含量，三聚氰胺已成为杂原子掺杂碳材料的重要研究热点。

通过将液态亚油酸和固体三聚氰胺充分混合，在高温中加热到600°C进行碳化，并利用氢氧化钾（KOH）作为活化剂，研究人员生产出比表面积高达3474.1 m²/g的多孔碳。

图说：图表显示了活化后碳材料表面积和中孔体积的增加。

这些多孔碳材料中，中空隙率达到了72.9%至77.3%。这对于提高材料的存储容量和离子传输效率至关重要。

由三聚氰胺促进的氮掺杂提高了导电性并在碳结构内引入了活性位点，提高了超级电容器反应性能。

结果显示，在氢氧化钾电解液中，多孔炭材料实现了430.2 F/g的比电容。并且在10 A g-1的电流密度下经过2000次充电/放电循环后，电容保持率为86.5%，表现出了优异的电容存储性和循环稳定性。

这项研究成功地证明了从废油中制备N掺杂分级多孔碳的可行性、经济性和可持续性。

该项目首席研究员Suyun Xu博士表示：“我们的方法优化了孔隙结构，并使用氮掺杂来提高超级电容器的性能，为可持续、高效的储能开辟了新的可能性。”

通过将废油重新利用为高性能碳材料，这种方法减少了环境浪费，同时支持环保且经济的能源存储解决方案。

分级多孔碳材料在超级电容器中的性能改进使其适用于电动汽车、可再生能源存储和其他先进应用，为全球更环保、更高效的能源系统铺平了道路。

03

超级电容器应用前景广阔

超级电容器在新能源汽车、智能电网、风力发电、太阳能、轨道交通、运动控制、军用设备、电力储能等众多领域有着巨大的应用前景，其应用领域广且与现在国家战略层面的行业息息相关。

从2020年开始，国内新能源产业得到爆发式成长，超级电容器产业也相应实现高速增长。

随着下游应用场景的不断扩展，超级电容器的下游需求不断增长，根据超级电容产业联盟数据显示，2021年我国超级电容市场规模达到25.3亿元，同比增速达32%。

未来随着新能源汽车、轨道交通、电力系统等领域的需求推动，我国超级电容器行业将继续保持高速增长。

根据前瞻产业研究院的初步预计，到2029年，我国超级电容器行业市场规模将增至54亿元，2024至2029年复合增长率约为10%。

随着能源格局的发展，上海理工大学和同济大学研究人员的创新成果为未来提供了希望——既能够将废料转化为资源，又提升了超级电容器的性能，应用前景广阔。

-------

参考资料：

[1]https://interestingengineering.com/energy/waste-oil-efficient-supercapacitor-energy-storage

[2]https://www.newswise.com/articles/media-article/820636

[3]https://link.springer.com/article/10.1007/s42768-024-00210-5

[4]https://bg.qianzhan.com/trends/detail/506/241104-d8ba0ee9.html

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/1bBcBZolU6DcW12fd4RbKg

首图来源：getty image

来源：能投委