一种太阳能光热增强超级电容器电容的一体化装置

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1.本实用新型涉及太阳能光热转换与电化学储能技术领域，具体涉及一种太阳能光热增强超级电容器电容的一体化装置。


背景技术：

2.超级电容器是一个高效储存和传递能量的装置，具有功率密度高、容量大、使用寿命长、充放电速率快、经济环保等优点，广泛应用于各种能源领域。但与其它储能器件如电池一样，在低温环境工作时容量衰减严重，极大限制了其在低温条件，如高海拔极寒地区、航空航天上的应用。在低温环境下工作时，超级电容器中的离子传输受到了极大限制，电解液的离子电导率较低，离子在电极和电极/电解质界面处难以快速扩散，导致电化学性能下降，有时甚至无法工作。因而需要寻找一种环保可持续的途径来提高超级电容器的低温性能。
3.太阳能分布范围广、无穷无尽、绿色安全，是一种可取代传统化石能源的清洁能源。太阳能被广泛应用于光伏发电、光催化、光热转换等领域。其中光热转换技术作为吸收太阳能的直接途径，具有加热和储能方向的应用潜力。目前光热转换技术还用于的太阳能驱动水净化领域，实现从海水、苦咸水、污水等多种水体向清洁淡水的转化。但通过光热转换过程产生的热能在驱动水体蒸发净化后散失到环境中，尚未二次利用。若能将这部分热能用于超级电容器温度及容量的提升，是解决上述问题的可行途径。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提出一种太阳能光热增强超级电容器电容的一体化装置，本实用新型将太阳能光热转换的热量用于提升超级电容器的容量，同时保持高效的太阳能光热驱动水蒸发净化，实现了能源收集、转换与储存的一体化，拓展了当前超级电容器和太阳能光热转换技术的应用范围。
5.本实用新型的目的是提供一种太阳能光热增强超级电容器电容的一体化装置，包括具有光热转换功能的超级电容器，保温层，输水通道和盛水容器；所述的超级电容器由第一电极、第二电极和凝胶电解质组成，所述的第一电极和第二电极并排水平放置，所述的第一电极的一面作为光热转换层，另一面作为电化学储能层，第二电极的一面作为光热转换层，另一面作为电化学储能层，第一电极和第二电极通过凝胶电解质连接，第一电极和第二电极的底部置于保温层上，保温层的中部设置有放置凝胶电解质的凹槽，凹槽底部中心设有贯穿孔，贯穿孔的孔径小于凹槽的直径，输水通道包括与凹槽底部直径相等的润湿层、竖直型水传输通道和吸水层，润湿层设于凹槽底部，竖直型水传输通道设于贯穿孔内，吸水层浸没到盛水容器中，保温层设置于盛水容器顶部。
6.本实用新型通过利用具有光热转换效应的电极材料与凝胶电解质结合，组装出了可以用于光热驱动蒸发的凝胶型超级电容器。此外，利用保温层与输水通道设计，一方面可以保证装置运行的稳定性，另一方面可以实现对不同待处理水体的更换。第一电极和第二
电极并排水平放置，增加吸光面积，促进光照蒸发，利用光照蒸发作用，驱动电解质离子快速移动，增强超级电容器储能作用。如果不加输水通道经光照蒸发补充水分，凝胶型超级电容器中的电解质易脱水失去储能作用。
7.本实用新型通过具有光热转换性能的电极材料，经过凝胶电解质连接组成的凝胶型超级电容器放置于保温层的凹槽中心贯穿孔的上部，凝胶型超级电容器的底部与输水通道的润湿层直接接触，竖直型输水通道穿过保温层的贯穿孔，输水通道的根部吸水层直接浸没在盛水容器中，放置有凝胶电容器的保温层放置在整个盛水容器顶部。电极材料的光热转换层表面在光照作用下温度升高，在保温层的作用下，热量能够局域在电极材料上，温度升高使得与电极材料接触的凝胶电解质中水发生相变，从而实现蒸发。同时，由于电解质与电极材料的另一面相互接触，可以组成超级电容器结构，在水蒸发的同时实现电化学能的储存。由于水的持续蒸发导致凝胶电解质中水含量减少，而输水通道可以将盛水容器中的水快速补充到凝胶电解质底部，从而保证凝胶电解质储能过程与蒸发过程运行的稳定性，同时通过对不同水体的选择来实现多种水体的处理。
8.优选地，所述的第一电极材料选自碳布电极、碳纸电极、导电高分子/滤纸复合材料、导电高分子/无纺布复合材料、导电高分子/金属氧化物/滤纸复合材料、导电高分子/金属氧化物/无纺布复合材料、石墨烯气凝胶、碳纳米管气凝胶、石墨烯气凝胶/金属氧化物和碳纳米管气凝胶/金属氧化物中的一种。
9.优选地，所述的第二电极材料选自碳布电极、碳纸电极、导电高分子/滤纸复合材料、导电高分子/无纺布复合材料、导电高分子/金属氧化物/滤纸复合材料、导电高分子/金属氧化物/无纺布复合材料、石墨烯气凝胶、碳纳米管气凝胶、石墨烯气凝胶/金属氧化物和碳纳米管气凝胶/金属氧化物中的一种。第一电极和第二电极材料同时具有多孔结构，高吸光率，电化学活性以及亲水性，电极材料的两面都具有吸光能力及电化学活性。第一电极和第二电极材料可以是使用的上述材料的同一种类，也可以是使用两种不同类型的上述材料。
10.优选地，所述的凝胶电解质为聚乙烯醇基水凝胶或聚乙烯醇基气凝胶，聚乙烯醇基水凝胶或聚乙烯醇基气凝胶中h2so4的质量分数为1％-20％。
11.优选地，所述的保温层为膨胀聚苯乙烯泡沫或聚氨酯泡沫。
12.优选地，所述的润湿层、水传输通道和吸水层一体成型。
13.进一步优选，所述的吸水层为树根型吸水层。吸水层设置为树根型，更有利于吸收盛水容器中的水分。
14.优选地，所述的第一电极的一端与第一导电集流体通过导电银胶连接，所述的第二电极的一端与第二导电集流体通过导电银胶连接。
15.进一步优选，所述的第一导电集流体和第二导电集流体均为导电金属片。
16.优选地，所述的超级电容器通过导线外接电源充电。
17.本实用新型跟现有技术相比具有如下优点：
18.1、本实用新型提出的太阳能光热增强超级电容器电容的一体化装置，将太阳能光热转换的热量用于提升超级电容器的容量，同时保持高效的太阳能光热驱动水蒸发净化，实现了能源收集、转换与储存的一体化，拓展了当前超级电容器和太阳能光热转换技术的应用范围。
19.2、本实用新型通过光热效应与供水设计，解决了利用热效应提升超级电容器电容性能这一过程中，凝胶电解质因失水过多而性能劣化的问题。
20.3、与现有技术相比，本实用新型实现了净水与电能联供，提升了该项技术产品的附加值与适用性。
附图说明：
21.图1是本实用新型实施例1的太阳能光热增强超级电容器电容的一体化装置的结构示意图；
22.图2是本实用新型实施例1的凝胶型超级电容器的结构示意图；
23.图3是本实用新型实施例1的太阳能光热增强超级电容器电容的一体化装置在有无光照下，10mv s-1
扫速下的循环伏安曲线；
24.图4是本实用新型实施例1的太阳能光热增强超级电容器电容的一体化装置在有无光照下，3ma cm-2
电流密度下的恒流充放电性能图；
25.图5是本实用新型实施例1的太阳能光热增强超级电容器电容的一体化装置在有无光照下的蒸发净化性能图；
26.附图标记说明：1、第一电极，2、第二电极，3、凝胶电解质，4、保温层，5、输水通道，6、盛水容器，7、第一导电集流体，8、第二导电集流体，9、电源，10、导线。
具体实施方式：
27.下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。除特别说明，本实用新型使用的设备和试剂为本技术领域常规市购产品。
28.实施例1
29.如图1和图2所示，一种太阳能光热增强超级电容器电容的一体化装置，包括具有光热转换功能的超级电容器，保温层4，输水通道5和盛水容器6；超级电容器由第一电极1、第二电极2和凝胶电解质3组成，第一电极1和第二电极2并排水平放置。第一电极1的一面作为光热转换层，另一面作为电化学储能层，第二电极2的一面作为光热转换层，另一面作为电化学储能层，第一电极1和第二电极2通过凝胶电解质3连接，第一电极1和第二电极2的底部置于保温层4上，保温层4的中部设置有放置凝胶电解质3的凹槽，凹槽底部中心设有贯穿孔，贯穿孔的孔径小于凹槽的直径，输水通道5包括与凹槽底部直径相等的润湿层、竖直型水传输通道和吸水层，润湿层设于凹槽底部，竖直型水传输通道设于贯穿孔内，吸水层浸没到盛水容器6中，保温层4设置于盛水容器6顶部。
30.第一电极1的一端与第一导电集流体7通过导电银胶电性连接，所述的第二电极2的一端与第二导电集流体8通过导电银胶连接。在本实施例中优选，第一导电集流体7和第二导电集流体8均为导电金属片。超级电容器通过第一导电集流体7和第二导电集流体8引出导线10外接电源9充电。
31.第一电极1中的光热转换层材料和电化学储能层材料可以相同，可以不相同，在本
实用新型中优选第一电极1中的光热转换层材料和电化学储能层材料相同，第一电极1材料选自碳布电极、碳纸电极、导电高分子/滤纸复合材料、导电高分子/无纺布复合材料、导电高分子/金属氧化物/滤纸复合材料、导电高分子/金属氧化物/无纺布复合材料、石墨烯气凝胶、碳纳米管气凝胶、石墨烯气凝胶/金属氧化物和碳纳米管气凝胶/金属氧化物中的一种。
32.第二电极2中的光热转换层材料和电化学储能层材料可以相同，可以不相同，在本实用新型中优选第二电极2中的光热转换层材料和电化学储能层材料相同，第二电极2材料选自碳布电极、碳纸电极、导电高分子/滤纸复合材料、导电高分子/无纺布复合材料、导电高分子/金属氧化物/滤纸复合材料、导电高分子/金属氧化物/无纺布复合材料、石墨烯气凝胶、碳纳米管气凝胶、石墨烯气凝胶/金属氧化物和碳纳米管气凝胶/金属氧化物中的一种。第一电极1和第二电极2材料同时具有多孔结构，高吸光率，电化学活性以及亲水性，电极材料的两面都具有吸光能力及电化学活性。第一电极1和第二电极2材料可以是使用的上述材料的同一种类，也可以是使用两种不同类型的上述材料。本实施例中优选第一电极1材料为导电高分子/滤纸复合材料，第二电极2材料为导电高分子/滤纸复合材料。导电高分子/滤纸复合材料指的是滤纸作为载体支撑导电高分子，滤纸上面沉积导电高分子，导电高分子为黑色利于吸光，滤纸的作用是增加导电高分子材料的孔隙和比表面积，有利于吸光蒸发和电化学储能。导电高分子选自聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩中的一种，本实施例中优选导电高分子为聚吡咯。
33.凝胶电解质为聚乙烯醇基水凝胶或聚乙烯醇基气凝胶，聚乙烯醇基水凝胶或聚乙烯醇基气凝胶中h2so4的质量分数为1％-20％。在本实施例中优选凝胶电解质为聚乙烯醇基水凝胶，水凝胶中h2so4的质量分数为10％。
34.保温层为膨胀聚苯乙烯泡沫或聚氨酯泡沫。在本实施例中优选保温层为膨胀聚苯乙烯泡沫。
35.润湿层、水传输通道和吸水层可根据实际情况分开设置，在本实施例中润湿层、水传输通道和吸水层一体成型，输水通道5为无尘纸。吸水层为树根型吸水层，吸水层设置为树根型，更有利于吸收盛水容器中的水分。
36.输水通道5上部为与凝胶电解质底部面积相等的润湿层，中间为竖直型水传输通道，底部为树根型吸水层，输水通道5的根部直接浸没在盛水容器6中。第一电极1和第二电极2的光热转换表面在光照作用下温度升高，在保温层4的作用下，热量能够局限在第一电极1和第二电极2材料上，温度升高使得与第一电极1和第二电极2接触的凝胶电解质3中水发生相变，从而实现蒸发。而同时，由于凝胶电解质3与第一电极1和第二电极2的另一面相互接触，可以组成超级电容器结构，在蒸发的同时实现电化学能的储存。由于水的持续蒸发导致凝胶电解质3中水含量减少，而输水通道5可以将盛水容器6中的水快速补充到凝胶电解质3底部，从而保证凝胶电解质3储能过程与第一电极1和第二电极2表面上蒸发过程运行的稳定性。
37.图3为本实施例装置在10mv s-1
扫速下，有光照和无光照条件的循环伏安曲线。图4为本实施例装置在3ma cm-2
电流密度下，有光照和无光照条件的充放电性能对比图。图5为本实施例装置在有光照和无光照条件的水蒸发净水性能对比图。有光照条件均为氙灯光源模拟一个太阳光照强度(1kw m-2
)。从图中可以看出，在无光照的情况下，该装置的面积比电
容是33.98mf cm-2
，水蒸发净化速率是0.19kg m-2
h-1
。在强度1kw m-2
的光照下，该装置的面积比电容提升至120.32mf cm-2
，提高约3.5倍；水蒸发净化速率增加到1.96kg m-2
h-1
，提高约10.3倍。
38.以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的技术方案及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。