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    ACS Sustainable Chemistry & Engineering: 椰壳活性炭超级电容器电极的生命周期评价

    2022-11-24 19:14:30

    来源:国际能源网   作者:新能源采编

    阅读:1476

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    [摘要] 背景介绍能源储存系统被认为是使化石资源使用与能源供应脱钩和减少温室气体排放的关键。能源储存系统必须具有成本效益,并且使用可再生材料建造对环境影响低。最近开发的电极使用从椰子壳(一种斯里兰卡椰子生产的副产品)中提取的活性炭(AC),作为生物基可持续的化石基储能电极具有广阔的应用前景以蒸汽为活化剂,采用热活

    背景介绍


    能源储存系统被认为是使化石资源使用与能源供应脱钩和减少温室气体排放的关键。能源储存系统必须具有成本效益,并且使用可再生材料建造对环境影响低。最近开发的电极使用从椰子壳(一种斯里兰卡椰子生产的副产品)中提取的活性炭(AC),作为生物基可持续的化石基储能电极具有广阔的应用前景以蒸汽为活化剂,采用热活化的方法制备了具有良好储能能力的高孔电极材料环境性能被视为新技术扩散的关键,因为它在能源储存方面的应用,同时提供了一种潜在的经济可行的解决方案来利用农业副产品。


    在研究有限的情况下,新型电极的设计优化和环境性能标杆对储能发展具有重要价值。虽然AC是一种常见的电极材料,可从广泛的生物基原料中提取,并已进行了较长时间的研究,但很少利用生命周期评价(LCA)法研究专门探讨其在超级电容器中使用的环境性能。


    基于此,波尔多大学的Edis Glogic教授等人通过量化生产对一系列影响评估类别和指标的影响来评估新型交流材料和集成电极的环境性能,随后将其与文献中报道的碳基电极进行比较。这是第一个评估椰子壳交流电极对超级电容器中电容作为其主要功能的影响的LCA研究,旨在为未来生物基超级电容器的技术开发和设计提供一个重要的基线。


    ACS Sustainable Chemistry & Engineering: 椰壳活性炭超级电容器电极的生命周期评价


    图文解读


    交流材料和交流电极影响评估结果如表1所示。此外,电极中不同组分之间的相对冲击贡献如图2所示。合成1kg活性炭与34.4兆焦耳的累积能量消耗和5.68kg的二氧化碳排放有关。大约86%的二氧化碳是在木炭的生产和活化过程中产生的,其余14%来自椰子种植和研磨用电。椰子壳生产对土地和水使用种类的影响相对较大,但同时也伴有相对较小的富营养化和酸化效应,这往往伴随着农业密集型生产做法。


    在电极水平上,交流电极以平均60%的贡献占绝大多数。其次是使用聚四氟乙烯粘合剂的影响,这种粘合剂的使用量很小(占电极总质量的5%),但对淡水生态系统的电离辐射和富营养化排放的影响主要是由它造成的。平均而言,炭黑的影响较小,但在化石资源稀缺和累积能源需求方面的影响显著。


    Table 1. Impact Assessment Results for AC and AC Electrode


    ACS Sustainable Chemistry & Engineering: 椰壳活性炭超级电容器电极的生命周期评价


    ACS Sustainable Chemistry & Engineering: 椰壳活性炭超级电容器电极的生命周期评价


    Figure 2. Contribution analysis of AC electrode.


    新型交流电极与藻类基BA和煤源还原氧化石墨烯电极的对比见图3和图4,对比表明,与BA电极相比,新型交流电极与海洋富营养化类别的单一显著降低了其对环境的影响。较好的比较性能是由于较少的化学密集制造和能量中性的交流合成结合相对较高的比电容。


    ACS Sustainable Chemistry & Engineering: 椰壳活性炭超级电容器电极的生命周期评价


    Figure 3. Relative comparison with rGO electrode


    图片ACS Sustainable Chemistry & Engineering: 椰壳活性炭超级电容器电极的生命周期评价Figure 4. Relative comparison with BA electrode.


    图5显示了新型AC和煤衍生的默认ecoinvention AC之间的比较。采用质量代理进行比较,不考虑两种AC的功能性能。图5清楚地展示了生产新交流材料与煤制替代材料所产生的影响之间的权衡。在一半的影响类别中,新型AC的影响较低,对AC材料的偏好将归结为对特定影响类别的优先考虑。使用新的AC而不是煤衍生替代品将意味着减少陆地生态系统的生态毒性影响负担,但会增加淡水和海洋生态系统的生态毒性影响负担。同样,减少淡水富营养化的影响将增加其对海洋生态系统的潜在影响。使用这种新的电极材料也意味着降低累积的能源消耗,但反过来,排放的温室气体有更大的全球变暖潜力。


    ACS Sustainable Chemistry & Engineering: 椰壳活性炭超级电容器电极的生命周期评价


    Figure 5. Relative comparison with coal-derived AC (default ecoinvent data set).


    与文献中报道的基于化石和其他生物基原料的AC相比,本研究中探索的AC对全球变暖(5.68 kg CO2 eq)的影响通常较低(如图6)。从专门用于储能应用的AC中,Wang等人报告了来自纤维素生物质的AC的62 kg CO2-eq kg?1,或在特定设计更改下10.2-15.4 kg。在其他关于交流电生产的研究中,Heidari等人报告了桉树通过化学激活生产过程中产生的5.5-8.5 kg CO2 -eq排放。与其他地方报告的18.28kg CO2 -eq相比,CO2排放量似乎也低于硬煤和木炭衍生AC的7.8和5.8kg CO2 -eq。专门用于水处理和污染治理的AC生产过程中所产生的影响通常在10-20 kg co2 -eq kg?1之间。就椰子壳产生的AC而言,影响与Arena等人报告的类似(根据场景不同,CO2直接排放量为3.78 - 6.46kg),高于其他地方报告的1.15kg。目前交流电极报告更高的CO2排放当量,与来自剩余生物量0.2-0.43 kg CO2 -eq,木材废料0.01kg CO2 -eq,和二次AC回收2.45 kg CO2 -eq。


    ACS Sustainable Chemistry & Engineering: 椰壳活性炭超级电容器电极的生命周期评价


    Figure 6. Greenhouse gas emissions for producing 1 kg AC reported in literature and the present study.


    总结


    该研究详细描述了不同的能源和材料,以表明制造过程是可以以能量自给自足的方式设计的,从而产生对环境影响较小的材料。与基于还原氧化石墨烯和藻类生物质的电极进行比较表明,新电极在大多数环境影响类别和累积能源使用中的影响较小。相对于基于煤炭的活性炭(AC),新的AC在陆地生态毒性和淡水富营养化影响类别以及累积能源需求方面显示出优势。与文献中报道的其他碳衍生和生物基交流电相比,温室气体排放量也处于较低范围内。


    目前的研究内化了新兴技术分析的一些数据不确定性特征,以近似系统中的能量输入和回收率,因为椰子壳及其衍生物中其他元素的浓度可能因椰子种类而异,并且由于在实验室开发技术时通常不会测量这些浓度。新电极的环境评估可以扩展到捕捉使用椰子壳作为储能电极的间接影响,并将新材料与其他交流替代品在超级电容器的使用和报废方面进行比较。但总体而言,生产过程的高能量效率,从农业副产品中提供了增值材料,为利用椰子壳作为超级电容器电极的原材料提供了强有力的论据。



    关键词: 储能 温室 电容器

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