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

07 12月 2021

2021-12-07 10:02

据外媒报道，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。

在带有离子交换可充电电池的电动汽车中，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%。