韩国科学家开发出可同时提供高功率和高容量的下一代储能技术

韩国科学技术研究院（KIST）碳复合材料研究中心的 Bon-Cheol Ku 博士和 Seo Gyun Kim 博士领导的研究团队与首尔国立大学（SNU）的袁哲朴教授一起开发出一种可能代表下一代储能技术的高性能超级电容器。

他们的突破通过使用由单壁碳纳米管（CNT）和导电聚合物聚苯胺（PANI）制成的先进纤维结构解决了当前超级电容器的关键限制。

超级电容器比传统电池充电速度更快，功率密度更高，即使经过数万次充电循环，性能损失也微乎其微。然而，较低的能量密度限制了它们的使用寿命，这使得它们在电动汽车和无人机等长期应用中不太实用。

左图：碳纳米管 (CNT) 和聚苯胺 (PANI) 复合材料的示意图。图中显示，共价键合的聚苯胺均匀分布在碳纳米管之间，每个聚苯胺均可充当纳米级电池。（右图：基于这些特性制备的复合纤维同时展现出优异的功率和能量密度，超越了一般超级电容器的性能。*KIST1 为仅按聚苯胺重量计算的数值，KIST2 为按纤维重量计算的数值。）图片来源：韩国科学技术研究院 (KIST)

为了应对这一挑战，研究人员将以高导电性著称的单壁碳纳米管 (CNT) 与低成本且易于加工的导电聚合物聚苯胺 (PANI) 进行化学键合。通过在纳米尺度上结合这些材料，他们创造了一种复杂的纤维结构，从而改善了电子和离子的运动。这使得超级电容器能够存储更多能量并更快地释放能量。

为了探究复合纤维电容器的商业化潜力，研究人员引入了一种量产工艺。通过该工艺，研究人员生产了从单股纤维到300股纤维的纤维束。结果表明，由于聚苯胺（PANI）在内部充当了纳米电池的作用，比电容保持良好，没有下降。图片来源：韩国科学技术研究院 (KIST)

新型超级电容器已在超过10万次充放电循环中展现出稳定的性能，即使在高压环境下也能保持高效。凭借其卓越的耐用性和效率，该技术可以替代或增强现有的电池系统。在电动汽车领域，它能够提供快速充电能力，从而提升续航里程和性能。

无人机和机器人也可能受益于更长的运行时间和更高的可靠性。此外，CNT-PANI 复合纤维具有高度的柔韧性，可以卷起或折叠，从而用于可穿戴设备等下一代电子产品。

该研究的另一项重大成果是降低了生产成本并实现了量产。单壁碳纳米管（CNT）尽管性能优异，但由于生产成本高昂，一直难以实现商业化，但研究人员通过将其与低成本的导电聚合物聚苯胺（PANI）复合解决了这一难题。

聚苯胺复合纤维制造工艺示意图：（从左到右）形成基于碳纳米管的液晶相，将其纺入凝固浴中，固化，然后拉伸。最终得到的纤维具有聚苯胺均匀分布的结构。图片来源：韩国科学技术研究院 (KIST)

此外，他们通过简便的工艺奠定了量产基础，最近成功开发出基于该技术的薄膜状结构，进一步推进了其商业化进程。未来，该技术将作为迈向碳中和社会的关键赋能技术，广泛应用于电动汽车、机器人、无人机、可穿戴设备等各行各业。

韩国科学技术研究院的顾本哲博士表示：“这项技术利用单壁碳纳米管和导电聚合物克服了超级电容器的缺点。我们将继续开发并实现基于碳纳米管的超高性能碳纤维的产业化。”

编译自/ScitechDaily