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更高效环保的“超级结构碳”可能带来能源革命的最新突破

2024-3-1 26 3/1

碳作为一种能源,其重要性不容低估。遗憾的是,事实证明,对这些碳基材料的依赖对环境造成了灾难性的影响,尤其是在全球范围内的消耗量。因此,必须研究替代方法。超结构碳(SCC)是一种以更高效、更"绿色"的方式使用碳的可行方法,它在能量存储和转换设备中的性能和寿命都超过了目前的标准材料。

很多研究都在探讨如何摒弃将碳作为能源的做法,但如果将正在使用的碳充分利用起来呢?

研究人员最近在《能源材料与器件》(Energy Materials and Devices)杂志上发表了这一研究成果。

短链氯化石蜡不仅在结构和性能上,而且在整体概念上都是多方面的。首先,它们确实是基于碳元素。虽然这看起来并不像是减少对碳的整体依赖性的措施,但这是一种更有意识地使用碳的方法,它具有更直接的功能,可以带来更好的性能和功能。

该研究的作者、清华大学研究员孔德斌说:"这一独特的类别满足了高性能设备的特殊功能需求,并超越了传统碳的刚性结构。"

更高效环保的“超级结构碳”可能带来能源革命的最新突破

所显示的每种特性都是确保 SCC 功能不可或缺的一部分,可用于改进能量存储和转换设备中使用的传统碳材料。资料来源:清华大学孔德斌

SSC 是一种碳基材料,专门针对与之连接的材料而制造,无论是锂离子(Li)电池、硫化锂(LiS)电池还是金属空气电池。

为了成功开发和实施这些 SCC,研究人员提出了这些 SCC 的三大特点:精确定制的孔隙、自由调整的框架和高度耦合的界面。

与传统碳材料相比,精确定制的孔隙具有提高表面利用率和传质的优点。在储能设备(如电池)中使用多孔碳作为活性材料的一部分,可以提高材料的比容量等指标。比容量是指每克材料重量可向材料输送的电荷量。自由调节的框架对于在材料的内部结构(包括碳单元和电极)之间实现快速电子转移至关重要。最后,高度耦合的界面可进一步改善电子传输,这是提高电池整体功能和性能的重要因素。配合良好的界面可使电化学反应更容易发生,而不会出现聚集或形成纳米颗粒团簇等问题。

"总的来说,SSCs 的概念为解决目前碳元素所面临的问题提供了一条途径,这对未来先进碳元素的实际应用及其相关的高性能能源相关设备具有重要意义,"孔德斌说。

研究人员的目标并不仅仅是通过这次审查改进碳基活性材料,而是希望为碳结构创造新的高度。性能突破是最终目标,目的是打破能量转换和储存性能的瓶颈。然而,总有一些困难需要考虑,总有一些褶皱需要进一步研究。

最重要的一点是,不同的设备有不同的需求。锂电池、锂硫电池和金属空气电池可能都与 SCC 有着不同的关系,这一点需要得到充分阐述,以确保适用性和兼容性。此外,在 SCC 成为一种实用和广泛的解决方案之前,还需要对其成本和性能进行研究。这可能包括改进制备过程和所需的前体,以降低成本和简化生产。另一个需要进一步研究的问题是对碳微观结构及其结构演变的全面了解,这取决于所使用的碳前驱体。

编译来源:ScitechDaily

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