蛋壳膜提高超级电容器性能

超电容器或超级电容器日益成为一项关键的存储技术，可用于高能效交通运输，以及可再生能源。这些设备具有传统电容器的优势，可迅速提供高密度电流，满足需求，也具有电池的优势，可以储存大量的电能。

碳化鸡蛋壳膜的综合框架结构。这种独特的结构有利于电子和电解质转移，这就使这种材料可以理想地进行高功率应用，如用于驱动电动汽车。

来源：阿尔伯塔大学

今天的商用超级电容器大多是电双层电容器（EDLC：electric double layer capacitors），能量存储在间隔很近的两层，这两层具有相反的电荷，可提供快速充电/放电率，可维持数百万个周期。研究者们设计出各种电极材料，以提高这种超级电容器的性能，他们主要集中研究的是多孔碳，因为多孔碳具有高比表面积，可调谐的结构，良好的导电性，而且成本低。近年来，越来越多开始研究各种碳纳米材料，如碳纳米管，碳纳米洋葱（carbon nano-onions），或石墨烯（graphene）。

“理想的超级电容器同时具有高能量密度和高功率密度，”李治（Zhi Li）说，他是加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）博士后研究员，属于大卫?马丁（David Mitlin）的研究小组。“有了给定的电位窗（potential window），能量密度就决定于具体的电容，而功率密度则取决于串联电阻，这主要产生于电极材料的电阻。高电导率的电极材料是很重要的，这是因为考虑到功率密度。然而，活性碳复杂的微孔结构和无序纹理，会限制电子转移的效率，形成性能欠佳的超级电容器，在高扫描速度就是这样。”

有一项新的研究，最近发表在2012年4月刊的《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）上，题为《碳化鸡蛋壳膜具有三维架构可制成高性能电极材料用于超级电容器》（Carbonized Chicken Eggshell Membranes with 3D Architectures as High-Performance Electrode Materials for Supercapacitors），第一作者是李治，研究人员证明，一种常见的生活垃圾，就是鸡蛋壳膜，可以转换成高性能碳材料，用于超级电容器。

论文摘要说，超级电容器电极材料的合成，需要碳化一种普通的家畜生物垃圾，就是鸡蛋壳膜。碳化的蛋壳膜是一种三维多孔碳薄膜，包含交织相连的碳纤维，其中含有约10％的净重氧和8％的净重氮。尽管有相对较低的比表面积，也就是221 m2 g?1，但是，基本电解质和酸性电解质有特殊的具体电容，分别是297 F g?1和284 F g?1，这是采用三电极系统。此外，这种电极表现出良好的循环稳定性：1万次循环后，只观察到3％的电容衰落，电流密度为4 A g?1。这些是非常有吸引力的电化学性能，他们研究了相关的独特结构和材料化学。

“考虑一下，全球每年消耗1万亿颗鸡蛋，而且，一颗鸡蛋可以提炼30-40毫克成品碳，蛋壳膜确实是一种可靠的可持续资源，可用于清洁能源存储，”李治说。

已经知道，富含氮的碳性能良好，可用作超级电容器的电极材料。这一研究小组的新发现表明，富含氮的碳具有合适的结构，效果会更好。

“对我来说，最激动人心的发现，是鸡蛋壳膜具有惊人的天然结构，这是至关重要的，它的性能可以用作电极材料，只需经过碳化，”李治指出。“为什么？碳化蛋壳膜是一个真正的“集成系统”，包含交织的碳纤维，这些碳纤维直径在50纳米到2微米，大纤维和细小纤维天然连接在一起。”

他回忆说，当他第一次看到这种蛋壳膜的微观结构时，一幅电网系统图像立即进入他的脑海：“如果你想象，粗纤维作为长距离的重型电力电缆，连接不同城市，而微小的纤维作为电源线，点亮你房子里的灯泡，那么，你也可以进一步假设，这种碳化蛋壳膜就是一种高效的电子传输系统。其实，它正是这样。碳化蛋壳膜的电阻比没有这种结构的无序活性碳低20倍。此外，蛋壳膜的多孔系统已证明，可以快速转移电解质。这些都是至关重要的，可带来快速充放电的电极材料。”

此前，纳米技术研究人员已经采用蛋壳膜的这种独特的多孔结构，作为模板，合成纳米材料，见《蛋壳膜模板制成分层有序多孔网络包含二氧化钛管》（Eggshell Membrane Templating of Hierarchically Ordered Macroporous Networks Composed of TiO2 Tubes）。在这项新的研究中，加拿大研究人员碳化蛋壳膜（CESM：carbonized eggshell membranes），获得一种三维大孔碳薄膜，包含交织相连的碳纤维。

因为有独特的结构，碳化蛋壳膜可以运行在高负载电流下。这意味着，用它制成的电容器充放电可以更快，超过传统碳制成的电容器。

“我们发现，因为这种独特的结构，碳化蛋壳膜的系统电导率提高了一个量级，超过活性碳，这使它成为理想的电极材料，可用于高功率密度的超级电容器，”李治说。

他指出，随着纳米技术的迅速发展，越来越多的神奇材料正在开发出来，都具有新的性能，而且采用创新的新技术。

“碳材料就是一个例子，碳纳米管和石墨烯具有高得多的内在电导率，超过我们制作的碳化蛋壳膜，而且，它们都很有希望用作电极材料，”李治说。“不过，最大的挑战是，如何把这些材料集成到有效的系统中，发挥各种材料的优点，而且消除它们各自的缺点。我相信，这是一个领域，我们可以从大自然学到很多东西。