根據密西根理工大學(Michigan Technological University;MTU)的研究人員表示,在碳奈米牆中嵌入鈉,能夠大幅改善電池、超級電容與太陽能電池中的電極。

由密西根理工大學材料科學與工程系教授Yun Hang Hu領的研究團隊打造出一種在碳奈米牆中嵌入鈉的合成方法,讓以往僅限於理論層次的途徑化為現實。

無固定形態的碳具有低導電且表面積大的特性;另一方面,石墨雖然導電性高但表面積小。3D石墨烯則兼具這兩種特性的優點,而密西根理工大學研究人員最新發現的這種鈉嵌入碳還更具優勢。

「鈉嵌入碳的導電率比3D石墨烯更高兩個數量級,」Hu說。「具有所有通道和孔隙的奈米牆結構也具有與石墨烯相當的較大表面積。」

這和金屬摻雜的碳是不一樣的,因為這種方式的金屬僅存存在碳表面上,而且相當易於氧化;但在實際的碳結構中嵌入金屬則有助於保護它。為了製造這種材料,研究人員們必須創造出新的製程。他們在鈉金屬和一氧化碳之間導入一種溫度控制反應,打造出可擷取鈉原子的黑色碳粉末。密西根理工大學的研究人員並與德州大學奧斯汀分校(University of Texas at Austin)合作,展示在碳結構中嵌入鈉,以取代其附著於碳表面的方式。接著,研究人員並以多種能源元件測試這種材料。

在染料敏化太陽能電池領域,每1/1,000的數量就使元件更具效率與商用可行性。在此研究中,這些鉑基太陽能電池達到了7.89%的電源轉換效率,相當於一般的標準。相形之下,如果太陽能電池採用研究人員開發的鈉嵌入碳材料,則能達到11.03%的效率。

每百分之十的數量使得器件更有效和更具商業可行性。在研究中,鉑基太陽能電池達到7.89%的功率轉換效率,這被認為是標準的。相比之下,使用胡氏鈉嵌入碳的太陽能電池的效率為11.03%。

相較於充電電池,超級電容能夠更快地接受和傳遞電荷,是汽車、火車、電梯以及其他重型設備(一般使用71F/g電荷密度的活性碳)的理想選擇。3D石墨烯具有更強大的112F/g電荷密度,而鈉嵌入碳的電荷密度更高達145F/g。在經過5,000次充放電週期後,這種材仍能維持96.4%的容量,顯示具有更好的電極穩定度。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Embedded sodium electrodes boost efficiency in super capacitors and solar cells,by Nick Flaherty)