重庆
在能源存储领域，韩国研究团队取得了一项突破，他们利用单壁碳纳米管（CNT）和导电聚合物聚苯胺（PANI）研制出了一种新型超级电容。与传统电池相比，这款超级电容具有显著优势，包括充电速度快、功率密度高以及数万次的充电循环寿命。这种超级电容还易于批量制造，有望为能源存储领域带来变革。
01
电池与电容
电池和电容都是常见的储能元件，电池通过化学反应来储存和释放电能，电容的储能原理则与电池截然不同。它由两片导电极板和中间的绝缘介质组成，通过电场来储存能量。电容具有充电速度快、功率密度高以及循环寿命长等优点，但其能量密度相对较低，使它难以替代电池供电。
将单层石墨烯片卷曲成中空管就是单壁碳纳米管，这种纳米管的直径仅几纳米，是一种一维纳米材料。单壁碳纳米管具有极高的强度和优异的导电性能，通过调整其结构，还可以使其在导体和半导体之间进行转换。
在材料科学领域，一维和二维材料的定义基于材料的尺寸。当材料的长宽高有一个维度在100纳米以下时，这种材料被称为二维材料；而当有两个维度在100纳米以下时，则被称为一维材料。
研究人员进一步将成本低廉的导电聚合物聚苯胺与高导电性的单壁碳纳米管均匀结合在一起，创造了一种复杂的纤维结构——CNT-PANI复合纤维。这种复合纤维结构为电子和离子提供了顺畅的运动通道，同时在纳米尺度的电容单元中实现了电荷的有效积蓄。因此，CNT-PANI复合纤维能够存储更多的能量，并且能够更快地释放这些能量，从而制造出性能优异的超级电容。
在测试中，这种超级电容展现出了卓越的性能。其能量密度已经接近甚至超过了当前的普通锂电池，这是其他超级电容所难以达到的。在经过十万次充电循环后，这种超级电容仍能保持稳定的性能。
即使在高压环境中，其性能也依然稳定可靠。这种独特的性能特点使得超级电容特别适用于短时大功率的应用场景，如电动汽车的加速和制动过程，以及可再生能源发电中的能量缓冲等。
02
批量生产
降低成本的关键步骤
成本问题往往是制约材料商业化的关键因素之一。单壁碳纳米管在过去曾因生产成本过高而难以实现大规模商业化。然而，韩国科学家团队通过引入聚苯胺，成功解决了这一难题。他们将聚苯胺和单壁碳纳米管混合后，通过一种特殊的“针管”设备，利用多孔喷头将其挤入凝固液中。
在这一过程中，聚苯胺在纤维中均匀分布，同时纤维在固化过程中被拉伸，最终形成高强度的CNT-PANI复合纤维。这样一次能拉出300根纤维，大大降低了生产成本，为新材料的商业化应用奠定了坚实的基础。
03
把超级电容装上电车
超级电容非常适合电动汽车领域，它充放电的速度飞快，当汽车加速时能快速放电，减速时则能够快速回收能量，可以有效弥补电池在快速充放电方面的不足，从而延长电池的使用寿命。
他们利用CNT-PANI复合纤维制造了柔性薄膜电容，并将其与电池结合，成功应用于实验小车上。实验结果表明，这种结合了超级电容和电池的系统能够在不同工况下灵活切换，实现能量密度和功率密度的最佳平衡，显著提高了电动汽车的性能和续航里程。
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编辑｜张毅
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