研究人员开发出用于自供电设备的光充电超级电容器

印度科学研究所(IISc)仪器与应用物理系(IAP)的研究人员及其合作者设计了一种新型超级电容器，可以通过光照充电。这种超级电容器可用于各种设备，包括路灯和传感器等自供电电子设备。

电容器是一种静电设备，可将能量以电荷的形式存储在两个金属板上，这两个金属板被称为电极。IAP教授兼《材料化学A杂志》上发表的研究报告的通讯作者AbhaMisra解释说，超级电容器是电容器的升级版——它们利用电化学现象来存储更多能量。

新型超级电容器的电极由氧化锌(ZnO)纳米棒制成，直接生长在透明的氟掺杂氧化锡(FTO)上。它是由第一作者、印度理工学院Misra小组的CVRaman博士后研究员PankajSinghChauhan合成的。

ZnO和FTO都是能级适当排列的半导体，使光充电超级电容器具有卓越的性能。FTO是透明的，允许光线照射到光学活性ZnO纳米棒上，从而为超级电容器充电。Chauhan解释说，两种电解质(一种液体和一种半固体凝胶)被用作电极之间的导电介质。

存储电荷的能力(电容)与电极之间的距离成反比。

米斯拉解释道：“随着距离变得非常小，电容会急剧上升。”在静电电容器中，保持电极之间的小距离很困难。然而，在超级电容器中，电极的电荷会吸引电解质中带相反电荷的离子，从而形成一个彼此相距仅一个原子的电荷层——称为电双层或EDL。这导致超级电容器具有高电容。

当研究人员用紫外线(UV)照射超级电容器时，他们发现电容大幅增加，比之前报道的超级电容器高出几倍。他们还注意到两个不寻常的特性。首先，虽然电容通常会随着电压的增加而减小，但他们发现了相反的情况——他们的超级电容器在光照下的电容实际上随着电压的增加而增加。

“我们称之为颈缩行为，”美国克莱姆森大学教授、论文合著者AMRao说道。他解释说，这可能是由于电极的高孔隙率造成的。其次，超级电容器中存储的能量通常会在充电速度更快时减少，因为电解质中的离子移动速度不够快，无法响应增加的充电速率。然而，研究小组发现，使用液体电解质后，在紫外线下快速充电时，超级电容器中存储的能量会意外增加。

Rao团队的博士后研究员MihirParekh开发了理论模型来解释这些新发现。他表示，这些发现为同时开发快速充电和高能量密度的超级电容器打开了大门。

为了设计目前的超级电容器，该团队探索了两个关键想法。首先，通过结合两个光学活性半导体界面来增加电极的表面积，从而最大限度地增加与光的相互作用，从而产生更高的电荷。其次，使用液体电解质来确保有效的EDL。这些结合起来产生了卓越的性能。

米斯拉解释道：“这些想法很简单……但结合在一起，效果非常好。”她补充说，调整超级电容器的设计也可以使用可见光和红外光进行充电。IISc-Clemson团队旨在进一步探索和更好地理解观察到的新现象，以设计更好的超级电容器。

米斯拉解释道：“超级电容器有很多用途。”例如，它们有可能取代路灯中使用的太阳能电池。它们具有高功率密度，因此可以比电池更快地释放电荷。它们还可用于为手机等电子设备中的供电。

米斯拉补充道：“我们已经将超级电容器小型化到微米级，以便它们可以与这些微电子集成在一起。”

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