הפוטנציאל של Biochar כ- Sustainable Energy Storage Medium

מבוא

ביושר מתפתח כחומר תכליתי עם פוטנציאל להפוך את האופן שבו אנו מאחסנים אנרגיה.מיוצרים מפסולת אורגנית באמצעות תהליך הנקרא pyrolysis, חומר עשיר פחמן זה כבר מוערך לשיפור בריאות הקרקע ופחמן החיסרון.עכשיו, חוקרים חושפים את יכולותיו באחסון אנרגיה, במיוחד בסופרcapacitors וסוללות. עם הביקוש העולמי לטכנולוגיות בת קיימא, ביושר מציע נתיב לפיתוח מערכות אחסון אנרגיה הן מועילות, מאחורי האתגרים החומריים ופוטנציאליים אלה, כמו גם בתחום זה, מחקר מדעי הסביבה, ופוטנציאל, כמו גם על ידי חומרים סביבתיים פוטנציאליים.

ידע ביושר: ייצור ונכסים

ביושר נוצר על ידי חימום ביומסה - כגון שאריות חקלאיות, טריינגס יער, או ממחה בעלי חיים - בסביבה דלת-oxygen, בדרך כלל בטמפרטורות בין 300 מעלות צלזיוס ו -700 מעלות צלזיוס. תהליך זה, הידוע בשם pyrolysis, מסמן את החומר האורגני לשלושה מוצרים: ביושר (החלקיק המוצק), שמן ביו-גזן, ותשואות על איכות ומוצרים כימיים, כגון מזון, כגון טמפרטורה חימום, כמו חומרים כימיים.

התכונות העיקריות שהופכות את הביוכריז אטרקטיבי לאחסון אנרגיה כוללות:

• שטח פני השטח הגבוה:0 (FLT:1 בהתאם לתנאי הייצור, ביושר יכול לפתח אזורי משטח מעל 1,000 מ"ר /g, מתן אתרים פעילים רבים לאחסון המטען.
• (FLT:0)Porosity:FLT:1 מיקרו-, meso-, ומאקרוpores בתוך המבנה ביושר להקל על תחבורה יון אלקטרוליטי ולשפר ביצועים אלקטרוכימיים.
• (FLT:0) מוליכות אלקטרורית: FLT:1, ממטריקס פחמן של ביושר יכול להיות מכוון להיות התנהגותי, במיוחד כאשר מבנים גרפיטיים נוצרים בטמפרטורות גבוהות יותר של pyrolysis.
• (ב) יציבות:0Chemical יציבות:FLT:1 Biochar עמיד בפני פירוק ברוב הסביבות, הבטחת עמידות ארוכת טווח בהתקני אחסון.
• קבוצות תפוצה:0 (FLT:1 חמצן-וקבוצת המכיל חנקן על פני השטח ביוכריז יכול לשפר את פספונטו-ההההה-העל.

תכונות אלה יכולות להיות משופרות עוד על ידי הפעלה פיזית או כימית, כגון טיפול עם קיטור, CO2 או פתרונות אלקליין, כדי ליצור אפילו יותר שטח פני השטח נפח pore. השילוב של שטח פני השטח גבוה, מוליכות ויציבות למקם ביוכריז כאלטרנטיבה פוטנציאלית עבור חומרים פחמן קונבנציונליים כמו פחמן מופעל, גרפן, ננוtubes פחמן בתקני אחסון אנרגיה.

כיצד Biochar מתפקד כ- Energy Storage Medium

ביושר משמש בעיקר כחומר אלקטרודה בשתי טכנולוגיות אחסון אנרגיה מפתח: supercapacitors וסוללות.תפקידו שונה בהתאם למכשיר, אבל בשני המקרים, מבנה פחמן ⁇ מאפשר אחסון מטען יעיל שחרור.

Biochar in Supercapacitors

Supercapacitors לאחסן אנרגיה באמצעות הפרדה מטען אלקטרוסטטי בממשק אלקטרודה-אלקטרוניקה, הידוע בשם קיבולת כפולה-שכבתית חשמלית (EDLC) שטח פני השטח גבוה ו porosity של ביוכריז לספק שטח בשפע עבור מודעות ion, המוביל לערכי קיבול גבוהה.בנוסף, אם ביוכריז מכיל heteroatoms כמו חמצן או חנקן, זה יכול גם להציג פסאודופסיה - תגובה מהירה, כיבית.

מחקר הראה כי supercapacitors מבוסס ביושר יכול להשיג קיבולים ספציפיים של 100-400 F /g ב אלקטרוליטים קפואים, עם יציבות אופניים טובה מעל אלפי מחזורים.לדוגמה, מחקר שפורסם בשנת (FLT:0rea NatureFLT:1 דוחות כי Hierarchical ⁇ biochar נגזרת הקרקוbs מראה ביצועים מעולים (LT:2מיוצרים 3Fal) אך הוא מופעל על ידי פחמן, אך הוא מופעל על ידי שימוש דומה להפחתה מסחרית.

ביושר ב Batteries

ב סוללות ליתיום וסוליום-יון, ביושר נחקר כחומר אגד.מבנה ה ⁇ עוזר להתאים לשינויים בנפח במהלך הכנס והמיצוי, שיפור חיי מחזור. יתר על כן, מבנה הפחמן המאורגן ביושר יכול לאחסן מושגים באמצעות שילוב של מנגנונים הבין-קליציה והמודעות.

מחקרים מראים כי שרידים ביו-כריז יכולים להשיג יכולות ניתוק של 200-600 mAh/g עבור מערכות ליתיום-יון, ו-150-400 mAh/g עבור מערכות נתרן-יון.ערכים אלה תחרותיים עם גרפיט (372 mAh/g עבור סוללות ליתיום), ואת העלות הנמוכה וחידוש של אחסון ביושר מציע יתרונות ברורים.

יתרונות סביבתיים וכלכליים

מעבר להופעה הטכנית שלה, ביושר מביא יתרונות סביבתיים וכלכליים משמעותיים התואמים עם מטרות הקיימות הגלובליות.

• (ב) התפלגות:0) כרבון: (FLT:1) ייצור ביושר מנע פחמן בצורת יציבה שיכולה להישאר באדמה או בחומרים במשך מאות שנים, ביעילות הסרת CO2 מהאווירה.כאשר נעשה שימוש באחסון אנרגיה, פחמן זה אינו משוחרר, מה שהופך את ביושר רכיב פחמן שלילי.
• (ב) valorization:0Waste:FLT:1 Feedstocks for biochar הם לעתים קרובות שאריות חקלאיות או יער כי יהיה אחרת להיפטר או להישרף, שחרור גזי חממה.
• (FLT:0) הפחתה: ייצור ביושר 1 1 הוא זול יחסית, במיוחד כאשר ביומסה פסולת משמש.זה יכול להוריד את העלות של supercapacitors וסוללות, מה שהופך אחסון אנרגיה מתחדשת נגיש יותר.
• (FLT:0) Soil co-benefits:FreaLT:1 בעוד התפקיד העיקרי כאן הוא אחסון אנרגיה, ייצור ביושר יכול להיות משולב עם חקלאות. ⁇ ⁇ לא מתאים אלקטרודות יכול לשמש תיקון אדמה, שיפור הפריון ושימור המים.
• (FLT:0Circular Economy: FLT:1) ניתן לשחזר אלקטרודות מבוססות ביושר או לשרוף אנרגיה בסוף החיים, להשלים לולאה מעגלית.

אתגרים נוספים

למרות הבטחתו, יש לטפל בכמה מהמכשולים לפני ש-Bchar הופך לחומר אחסון אנרגיה מרכזי.

אפשרויות ל Feedstock and Processing

מקורות ביומסה שונים מייצרים ביו-כריזים עם תכונות שונות מאוד.לביצועים אלקטרודה עקביים, בחירת הזנות ותנאי הpyrolysis יש לשלוט חזק.זה דורש מחקר כדי לקבוע פרוטוקולי ייצור סטנדרטיים.

מגבלות התנהגות

בעוד ביושר יכול להיות מוליכים, מוליכות החשמל שלה לעתים קרובות נמוך יותר מזה של גרפן או פחמן ננוtubes. אסטרטגיות כדי לשפר את ההתנהלות כוללת הוספת תוספים התנהגותיים, גרפיטיזציה בטמפרטורות גבוהות מאוד (מעל 2000 מעלות צלזיוס), או לעשות עם heteroatoms. עם זאת, צעדים אלה יכולים להגדיל עלויות וצריכת אנרגיה.

סקלאלה ועלויות תחרותיות

הפחתת ביושר בקנה מידה תעשייתי עם איכות עקבית נשאר אתגר. מתקני pyrolysis הנוכחיים הם לעתים קרובות בקנה מידה קטן.ייצור בקנה מידה גדול יהיה לדרוש השקעה בעיצוב הכור ובקרת איכות. יתר על כן, ביושר חייב להתחרות עם חומרי פחמן מבוססים היטב כי יש אופטימיזציה שרשראות אספקה.

ביצועים ארוכי טווח ובטיחות

מחקר נוסף נדרש כדי להעריך את יציבות האופניים לטווח ארוך של אלקטרודות ביו-כריז בתנאים אמיתיים.בנוסף, את הבטיחות של מכשירים המבוססים על ביושר, במיוחד מבחינת תאימות תרמית ואלקטרוליטית, יש להעריך ביסודיות.

כיוונים עתידיים של Outlook ומחקר

תחום הביו-כריזה לאחסון אנרגיה מתקדם במהירות.המחקר הנוכחי מתמקד במספר תחומים מרכזיים:

• (FLT:0) הפעלת הפעלה:FLT:1Building שיטות הפעלה הממקסמות את שטח פני השטח תוך שמירה על התפלגות גודל נחשק עבור אלקטרוליטים ספציפיים.
• (FLT:0) doping and Complexs:FLT:1Buildingחנקן, גופרית, או תחמוצות מתכת לתוך ביושר כדי לשפר את פעילות פסאודו-capacitance או קטליטית.
• (FLT:0) ההיברידיד מכשירים:FLT:1ir משלב ביושר עם חומרים אחרים (למשל, ביצוע פולימרים, MXenes) כדי ליצור אלקטרודות בעלות ביצועים גבוהים עם אפקטים סינרגטיים.
• (FLT:0) שילוב עם מערכות אנרגיה מתחדשות: קיד 1) שימוש באחסון מבוסס ביושר כדי להפיק חלק מחוות השמש והרוח, המספק יציבות רשת.
• הערכת מחזור חיים:0 Life Cycle Assessment:FLT:1 מחקרים מקיף כדי לכמת את היתרון הסביבתי הנקי של אחסון אנרגיה ביושר בהשוואה לטכנולוגיות קונבנציונליות.

כמה יוזמות, כגון יוזמת הביו-כריז הבינלאומית (FLT:0reasourcesFLT:1), מקדם מחקר וסטנדרטים לייצור ביו-כריז ושימוש.כפי שהביקוש לאחסון אנרגיה בר-קיימא גדל, ביושר יכול להפוך לחומר מפתח במעבר לכלכלה פחמן נמוכה.

מסקנה

Biochar מייצג פתרון מבטיח, בר קיימא לאחסון אנרגיה, המשלב את היתרונות של פליטת פחמן, valorization פסולת, וביצועים אלקטרוכימיים גבוהים. בעוד אתגרים נשארים בקידוד הנכסים שלה וייצור קנה מידה, מחקר מתמשך הוא במהירות לסגור את הפער בין הבטחת בקנה מידה מעבדה וכדאיות מסחרית.עם supercapacitors וסוללות נעות לעבר חומרים ירוקים יותר, ביושר הוא מוכן לשחק תפקיד משמעותי המאפשרת מהנדסים פוטנציאליים ומעבדים אנרגיה גבוהה יותר, אבל דורש שיתוף פעולה יעיל יותר, אבל חומרים סביבתיים, אבל דורש שיתוף פעולה יעיל יותר, אבל דורש שיתוף פעולה יעיל יותר, אבל חומרים מתקדמים.