مقدمه مقدماتی

Biochar به عنوان یک ماده چند منظوره با پتانسیل تبدیل چگونگی ذخیره انرژی تولید شده از زباله های آلی از طریق یک فرایند به نام pyrolysis در حال ظهور است، این ماده غنی کربن در حال حاضر برای بهبود سلامت خاک و جلوگیری از کربن در حال حاضر، محققان کشف توانایی های خود را در ذخیره سازی انرژی، به ویژه در سوپر خازن ها و باتری با تقاضای جهانی برای فن آوری های پایدار، توسعه پتانسیل ذخیره سازی انرژی فعلی، ارائه می دهد که این مواد مغذی و منابع ذخیره سازی مواد مفید است.

درک Biochar: تولید و املاک

بیوکار توسط زیست توده های حرارتی ایجاد می شود - مانند بقایای کشاورزی، سه میلی متر جنگل، یا انسان حیوان - در یک محیط کم اکسیژن، به طور معمول در دما بین 300 درجه سانتیگراد و 700 درجه سانتیگراد، این فرایند، به عنوان pyrolysis، تجزیه ماده آلی به سه محصول: bio-oil، و ذخیره سازی مواد شیمیایی، بستگی به نوع حرارت حیاتی، و مواد شیمیایی، و زمان ذخیره سازی، بستگی دارد.

ویژگی های کلیدی که باعث می شود بیوchar جذاب برای ذخیره سازی انرژی شامل:

  • سطح بالا: بسته به شرایط تولید، بیوکار می تواند مناطق سطح بیش از 1000 متر / g را توسعه دهد، ارائه بسیاری از سایت های فعال برای ذخیره سازی شارژ.
  • Micro- meso- و ماکروpores در ساختار biochar حمل و نقل یون الکترولیت را تسهیل می کند و عملکرد الکتروشیمیایی را بهبود می بخشد.
  • هدایت الکتیکی: ماتریس کربن بیوکار را می توان تنظیم کرد به ویژه هنگامی که ساختارهای گرافت در دمای بالاتر pyrolysis تشکیل می شوند.
  • ثبات سیاسی: Biochar در اکثر محیط ها مقاوم به تجزیه و تحلیل است، اطمینان از دوام طولانی مدت در دستگاه های ذخیره سازی.
  • گروه های غیر قابل جابجایی: گروه های حاوی اکسیژن و نیتروژن در سطح زیستی می توانند شبه خازن را در سوپر خازن ها افزایش دهند.

این خواص را می توان با فعال سازی فیزیکی یا شیمیایی بهبود بخشید، مانند درمان با بخار، CO2 یا محلول های قلیایی، برای ایجاد حتی بیشتر سطح و حجم متخلخل. ترکیبی از سطح بالا، هدایت و ثبات biochar را به عنوان جایگزینی بالقوه برای مواد کربن معمولی مانند کربن فعال، گرافن و نانولوله های کربن در دستگاه های ذخیره سازی انرژی قرار می دهد.

چگونه عملکرد Biochar به عنوان یک محیط ذخیره سازی انرژی متوسط

Biochar در درجه اول به عنوان یک ماده الکترود در دو تکنولوژی ذخیره سازی انرژی کلیدی عمل می کند: سوپر خازن ها و باتری ها، نقش آن بسته به دستگاه متفاوت است، اما در هر دو مورد، ساختار کربن متخلخل ذخیره سازی و آزاد سازی را فعال می کند.

Biochar در Supercapacitors

سوپر خازن ها انرژی را از طریق جداسازی شارژ الکترواستاتیک در رابط الکترولیت الکترونی ذخیره می کنند که به عنوان خازن دو لایه الکتریکی (EDLC) شناخته می شود، منطقه سطح بالا و منافذ زیستی بیوcharity فضای کافی برای جذب یون فراهم می کند، که منجر به مقادیر اسیدی بالا می شود. علاوه بر این، اگر بیوchar حاوی هلیوم مانند اکسیژن یا نیتروژن باشد، همچنین می تواند ظرفیت ذخیره سازی انرژی را افزایش دهد - که واکنش های ذخیره سازی شبه اسید را افزایش می دهد.

تحقیقات نشان داده است که سوپر خازن های مبتنی بر بیوکار می توانند به خازن های خاص 100-400 F / g در الکترولیت های دارای الکترولیتی دست یابند، با ثبات دوچرخه سواری خوب بیش از هزاران چرخه، به عنوان مثال، مطالعه ای که در :0] طبیعت منتشر شده است گزارش می دهد که biocharrous سلسله مراتبی حاصل از ذرت نشان می دهد عملکرد عالی (F3)

Biochar در باتری

در باتری های لیتیوم یون و سدیم یون، بیوchar به عنوان یک ماده ی گره ای مورد بررسی قرار می گیرد.ساختار متخلخل به جای تغییرات حجم در هنگام قرار دادن یون و استخراج، بهبود زندگی چرخه، علاوه بر این، ساختار کربن اختلال در بیوکار می تواند یون ها را از طریق ترکیبی از ساختارهای intercalation و جذب ذخیره کند.

مطالعات نشان می دهد که گره های زیستی می توانند ظرفیت های برگشت پذیر 200-600 [میلی متر] / برای سیستم های لیتیوم یون، و 150-400 میلی آمپر / به عنوان سیستم های ضد سدیم را به دست آورند، این مقادیر با مواد ذخیره سازی گرافیت (372 mAh / منبع لیتیوم) رقابت می کنند و هزینه پایین و تجدید حیات بی سیم مزایای روشنی ارائه می دهند.

مزایای زیست محیطی و اقتصادی

علاوه بر عملکرد فنی آن، بیوکار مزایای زیست محیطی و اقتصادی قابل توجهی را به همراه می آورد که با اهداف پایداری جهانی سازگار است.

  • تولید بیوchar کربن را به یک فرم پایدار قفل می کند که می تواند در خاک یا مواد برای قرن ها باقی بماند، به طور موثر حذف CO2 از اتمسفر، هنگامی که در ذخیره سازی انرژی استفاده می شود، این کربن دوباره برقرار نمی شود، و باعث می شود بیوchar یک جزء کربن منفی است.
  • ارزش گذاری: Feedstocks for biochar اغلب کشاورزی یا جنگلداری است که در غیر این صورت تجزیه و یا سوزانده می شود، انتشار گازهای گلخانه ای آنها را به مواد ذخیره سازی انرژی تبدیل می کند مشکل زباله به یک منبع تبدیل می شود.
  • کاهش هزینه: تولید بیوchar نسبتا ارزان است، به ویژه هنگامی که از بیوم زباله استفاده می شود، این می تواند هزینه سوپر خازن ها و باتری ها را کاهش دهد، و ذخیره سازی انرژی تجدید پذیر را در دسترس تر قرار دهد.
  • co-benefits: در حالی که نقش اصلی در اینجا ذخیره سازی انرژی است، تولید بیوchar می تواند با کشاورزی یکپارچه شده است. زیستی باقی مانده مناسب برای الکترودها نمی تواند به عنوان یک اصلاح خاک، بهبود باروری و احتباس آب استفاده شود.
  • [FLT: 1 ] [ الکترودهای مبتنی بر بیوکار را می توان بازیافت یا سوزانده برای انرژی در پایان زندگی، تکمیل یک حلقه دایره ای.

چالش های آینده

علی رغم وعده های آن، چندین مانع باید قبل از آنکه بیوکار به یک ماده اصلی ذخیره سازی انرژی تبدیل شود، مورد توجه قرار گیرد.

تنوع در Feedstock و پردازش

منابع مختلف زیست توده ها، بیوکارها را با خواص مختلف تولید می کنند، برای عملکرد الکترود ثابت، انتخاب خوراک و شرایط pyrolysis باید به شدت کنترل شود.این نیاز به تحقیق برای ایجاد پروتکل های تولید استاندارد دارد.

محدودیت های هدایت

در حالی که بیوchar می تواند هدایت کننده باشد، هدایت الکتریکی آن اغلب پایین تر از گرافن یا نانولوله های کربنی است.اما این مراحل می توانند مکمل های رسانا، گرافتاسیون را در دمای بسیار بالا (بالا از 2000 درجه سانتیگراد) یا دوپینگ با هلیم ها افزایش دهند.

مقیاس پذیری و رقابت هزینه

تولید بیوکار در مقیاس صنعتی با کیفیت ثابت همچنان یک چالش است. تاسیسات فعلی pyrolysis اغلب در مقیاس کوچک هستند.تولید بزرگ نیاز به سرمایه گذاری در طراحی راکتور و کنترل کیفیت دارد. علاوه بر این، بیوکار باید با مواد کربن به خوبی تثبیت شده که زنجیره های تامین بهینه شده دارند رقابت کند.

عملکرد بلند مدت و ایمنی

تحقیقات بیشتری برای ارزیابی ثبات بلند مدت دوچرخه سواری الکترود های زیستی در شرایط واقعی جهان مورد نیاز است، علاوه بر این، ایمنی دستگاه های مبتنی بر بیوکار، به ویژه از نظر سازگاری حرارتی و الکترولیت، باید به طور کامل ارزیابی شود.

چشم انداز آینده و مسیر تحقیقات

زمینه بیوکار برای ذخیره سازی انرژی به سرعت در حال پیشرفت است.تحقیقات فعلی بر روی چندین حوزه کلیدی تمرکز دارد:

  • فعال سازی سریع: توسعه روش های فعال سازی که به حداکثر رساندن سطح منطقه در حالی که حفظ توزیع اندازه مطلوب برای الکترولیت های خاص.
  • دوپینگ و کامپوزیت: در تقسیم نیتروژن، گوگرد، یا اکسید فلزی به بیوکارک برای افزایش شبه اسیدورتانس یا فعالیت کاتالیزوری.
  • [FLT: 1] ترکیب بیوکار با مواد دیگر (به عنوان مثال، انجام پلیمر، MXenes) برای ایجاد الکترودهای با عملکرد بالا با اثرات هم افزایی.
  • Integration با سیستم های انرژی تجدید پذیر: با استفاده از ذخیره سازی مبتنی بر بیوchar برای تولید صاف از مزارع خورشیدی و بادی، فراهم آوردن ثبات شبکه.
  • ارزیابی چرخه عمر: مطالعات جامع برای تعیین بهره وری از مزایای زیست محیطی خالص ذخیره سازی انرژی زیستی در مقایسه با فن آوری های معمولی.

چندین طرح، مانند ابتکار بین المللی بیوکار ( منبع )، در حال ترویج تحقیق و استانداردهای تولید و استفاده از بیوکار هستند، زیرا تقاضا برای ذخیره سازی انرژی پایدار رشد می کند، بیوکار می تواند به یک ماده کلیدی در انتقال به یک اقتصاد کم کربن تبدیل شود.

نتیجه گیری

Biochar نشان دهنده یک راه حل امیدوار کننده و پایدار برای ذخیره سازی انرژی، ترکیب مزایای سوء استفاده از کربن، ارزش گذاری زباله، و عملکرد الکتروشیمیایی بالا است، در حالی که چالش ها در بهینه سازی خواص و مقیاس پذیری آن باقی مانده است، تحقیقات مداوم به سرعت بسته شدن شکاف بین وعده آزمایشگاهی و پایداری تجاری است.