使用环保材料和工艺制造的超级电容器，正在成为绿色能源革命的关键

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根据全球能源研究所预测，到2040年全球能源需求预计将翻一番。研究人员正在寻求用可再生能源（例如太阳能和风能）替代化石燃料，以可持续地满足这一需求。尽管发展可再生能源已经成为大国共识，且光伏与风能也都得到了长足发展，但考虑到晴天或大风天的变化，如何在能源本身不恒定的情况下满足持续的能源需求，已成为研究热点。

为了有效地替代化石燃料，需要能够存储大量能量并即时输出以与需求保持同步的能量存储系统，因此研究人员正在转向具有非常高的电容值的电容器——超级电容器，它们可提供无限寿命、简单的架构和可制造性、高存储能力和能量输送、快速放电、充电时间短、低温下的高性能等。

基于这些特性，特别是快速放电的能力，对于需求的瞬时变化、对于提供高功率至关重要，这使得超级电容器正在成为储能应用的有用选择；再加上对强大的储能系统的需求，超级电容器对于能量存储解决方案的设计人员而言也是极具吸引力的组件选择，其在研发和整个市场中越来越受青睐，被誉为“可持续能源发展的关键”。

伊顿（EATON）的XLM超级电容器模块是展示这些优势的典型案例之一。伊顿声称，XLM超级电容器可以提供数百万次充/放电循环，而与放电深度无关（该深度是相对于系统在再次充电之前从电池中放电的总能量而言的能量）。这使得该电容器模块可以吸收或提供高能量变化，且寿命长达20年，是可再生能源系统的可行候选者。此外，该设备由绿色材料制成并且符合RoHS标准。

尽管超级电容器具有诸多优势，但研发人员可能仍会面临这些组件的成本和性能“瓶颈”。为使该绿色能源存储解决方案能够被大规模、高性能应用，研究人员正在加倍努力研发采用新技术、新材料和工艺制造的超级电容器。

基于碳化物衍生碳的超级电容器

研究人员一直在寻找可以优化超级电容器性能的新材料，如使用碳化物衍生碳作为材料来制造超级电容器。电极材料是提高超级电容器性能的关键，目前电极材料通常是活性炭与聚合物粘合剂和导电添加剂的混合物，目前普遍选择的活性炭是由于它的高比表面积和高导电性。

碳化物衍生碳是以碳化物为前驱体，设法去除晶格中的金属原子或非金属原子，剩下骨架碳结构，从而得到的一种新型碳材料。碳化物衍生物也具有高比表面积和高导电性，同时组织结构多样、孔径分布和尺寸可调，与活性炭相比具有更高的质量和体积比电容。

最初，用碳建造超级电容器的学者认为最大孔径与性能最大化相关。但美国德雷塞尔大学纳米技术研究所的研究人员发现，小得多（纳米大小）的孔比大孔径具有更好的性能，匹配离子所需的孔将以准确的顺序与它们配对，可使电容器性能提高50％。因此，可以通过改变碳的孔径大小来最大程度地提高组件的性能。

截至目前，对使用碳化物衍生碳来制造超级电容器的研究并不是很多。但其作为超级电容器材料时电容器具有高电容、高功率的能力，被称为“超级电容器的新突破”，在超级电容器电极材料制备领域极具潜力。

基于植物的超级电容器

过渡金属氧化物被普遍用于制造超级电容器的电极，与其他过渡金属氧化物（如钌或氧化锌）相比，二氧化锰更便宜，可获得性更丰富，而且更安全，但二氧化锰一个主要缺点是导电性较低。

此前的研究表明，木质素与金属氧化物的结合可以提升超级电容器电极的电性能。德克萨斯州农工大学的研究人员设计了一种完全基于植物生物材料的超级电容器，其中木质素与二氧化锰是关键的构件，并利用电极上的木质素来增强锰氧化物的不良电导率，获得了非常稳定的电化学性能，其比电容是当前超级电容器的900倍，且都是使用100％环保材料和工艺制成。

该研究团队首先在普通消毒剂中净化木质素，然后施加热量和压力，使液体分解，使二氧化锰沉积在木质素上。然后用这种混合物涂覆铝板形成电极，再与另一个由铝和活性炭制成的电极配对形成超级电容器，中间夹着凝胶电解质。研究人员称，这种装置灵活、轻便、经济高效，可以在几分钟内为电动汽车充电，增加了其作为汽车结构储能元件的潜力。

虽然在这些设备中使用生物材料使其难以控制所产生的电气特性，但该研究团队却能够制造出具有出色电气性能的设备。如今，制造生物材料的过程通常需要进行危险的化学处理，但是该研究团队却能够使用环境友好的过程来制造这些设备，该过程也更简单且成本更低。

超级电容器，尤其是使用环保材料和工艺制造的超级电容器，正在成为绿色运动的关键部分。它们可对电力需求的变化做出快速反应的能力，可以与不稳定的可再生能源发电系统（例如光伏和风力涡轮机）搭配使用。尽管当前的超级电容器还存在一些性能缺陷（与电池相比），但随着众多学者的关注与深入研究，使用环保材料和工艺制造的超级电容器或将成为绿色能源可持续发展的有力支撑。

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