最近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室“納米材料與介觀物理”課題組提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、能量密度和功率密度高的碳納米管薄膜簡潔式超級(jí)電容器及其制備方法。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Energy & Environmental Science（2011, 4, 1440）上。
開發(fā)長循環(huán)壽命，高比能量和高功率密度的儲(chǔ)能器件一直是諸多領(lǐng)域研究者關(guān)注的熱點(diǎn)課題之一。隨著社會(huì)科技的發(fā)展，如電動(dòng)汽車等許多領(lǐng)域?qū)﹄娫垂β实囊蟠蟠筇岣�，已�?jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電池的承受能力。傳統(tǒng)的電容器雖然功率非常大，但其能量密度有限，也不能滿足實(shí)際需要。超級(jí)電容器，也叫電化學(xué)電容器，其性能介于傳統(tǒng)電容器和電池之間，兼有電池高比能量和傳統(tǒng)電容器高比功率的特點(diǎn)。超級(jí)電容器在混合動(dòng)力汽車，大功率雷達(dá)，移動(dòng)電話信息備份電源，筆記本電腦和無電池遙控器等方面有著重要應(yīng)用。隨著便攜式電子器件的發(fā)展，傳統(tǒng)超級(jí)電容器的組裝方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前電子器件的發(fā)展，超級(jí)電容器正在向著輕便，簡潔的方向發(fā)展。
碳納米管具有高的比表面積和電導(dǎo)率，是一種理想的超級(jí)電容器電極材料。目前，主要通過將碳納米管與導(dǎo)電聚合物混合，然后將混合物涂到導(dǎo)電基底上或在基底上直接沉積純碳納米管薄膜作為電極材料。然而，由于聚合物的加入將會(huì)降低碳管薄膜電極的電導(dǎo)率和多孔率，對(duì)電荷在電極中的轉(zhuǎn)移和電解液中離子在電極孔隙中的擴(kuò)散有著不利影響，導(dǎo)致超級(jí)電容器功率密度下降。然而，純碳納米管薄膜具有較高導(dǎo)電性和多孔結(jié)構(gòu)，能有效克服導(dǎo)電聚合物對(duì)電極的影響，可以直接作為超級(jí)電容器的電極材料。但是，以上兩種碳納米管電極不得不平鋪到金屬薄片或其他基底上�；椎氖褂脤�(huì)增加超級(jí)電容器的重量，金屬薄片或其他基底的柔韌可折性均較差。因此，目前基于碳納米管的超級(jí)電容器仍然是傳統(tǒng)的紐扣式結(jié)構(gòu)，即三明治結(jié)構(gòu)。如何利用碳納米管構(gòu)建高性能的簡潔超級(jí)電容器是未來碳納米管超級(jí)電容器發(fā)展的一個(gè)方向。
物理所納米材料與介觀物理課題組多年來一直致力于碳納米管薄膜制備、物性與應(yīng)用基礎(chǔ)的研究，取得了系列成果（Nano. Lett. 2007, 7, 2307; Adv. Mater. 2009, 21, 603; Nano. Lett. 2009, 9, 2855）。最近，該課題組牛志強(qiáng)博士、周維亞研究員、解思深院士等與澳大利亞臥龍崗大學(xué)智能聚合物研究所陳俊博士、物理所清潔能源實(shí)驗(yàn)室E01組李泓研究員、馮國星博士合作，充分利用直接生長的自支撐柔性碳納米管薄膜的高導(dǎo)電率、高力學(xué)性能、高自吸附力等特點(diǎn)，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、能量密度和功率密度高的碳納米管薄膜簡潔式超級(jí)電容器及其制備方法。
他們利用有機(jī)溶液平鋪法控制直接生長的碳納米管薄膜的自吸附性，將任意數(shù)量的碳納米管薄膜非常平整地、牢固地組裝到超級(jí)電容器的隔膜上，有效地減小了碳納米管薄膜之間的連接電阻，有利于提高碳納米管薄膜電極的功率密度。而且，此方法突破了直接生長的碳納米管薄膜面積和厚度在制備薄膜電極方面的限制，有望解決大電容量碳納米管超級(jí)電容器對(duì)電極材料面積和厚度方面的需求。他們利用上述方法得到的具有規(guī)則尺寸和表面形狀的碳納米管薄膜直接作為電極材料和集流器，通過卷繞組裝成高性能的簡潔超級(jí)電容器。這種設(shè)計(jì)和組裝技術(shù)不僅有效消除了碳納米管薄膜與金屬集流器之間的接觸電阻，而且簡化了超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)，減輕了超級(jí)電容器的重量，這對(duì)于碳納米管薄膜超級(jí)電容器的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，簡潔超級(jí)電容器表現(xiàn)出理想的雙電層電容行為，在電勢(shì)反轉(zhuǎn)時(shí)，表現(xiàn)出很好的電流響應(yīng)，碳納米管薄膜簡潔超級(jí)電容器的充放電效率達(dá)99%，計(jì)算得到的質(zhì)量比電容為35 F/g，能量密度為43.7 Wh/kg，最大功率密度為197.3 kW/kg。這遠(yuǎn)大于目前用活性碳材料制備的傳統(tǒng)超級(jí)電容器的能量密度（1-10 Wh/kg）和功率密度（2-10 kW/kg）。此外，簡潔超級(jí)電容器還表現(xiàn)出了優(yōu)異的頻率特性。
開發(fā)長循環(huán)壽命，高比能量和高功率密度的儲(chǔ)能器件一直是諸多領(lǐng)域研究者關(guān)注的熱點(diǎn)課題之一。隨著社會(huì)科技的發(fā)展，如電動(dòng)汽車等許多領(lǐng)域?qū)﹄娫垂β实囊蟠蟠筇岣�，已�?jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電池的承受能力。傳統(tǒng)的電容器雖然功率非常大，但其能量密度有限，也不能滿足實(shí)際需要。超級(jí)電容器，也叫電化學(xué)電容器，其性能介于傳統(tǒng)電容器和電池之間，兼有電池高比能量和傳統(tǒng)電容器高比功率的特點(diǎn)。超級(jí)電容器在混合動(dòng)力汽車，大功率雷達(dá)，移動(dòng)電話信息備份電源，筆記本電腦和無電池遙控器等方面有著重要應(yīng)用。隨著便攜式電子器件的發(fā)展，傳統(tǒng)超級(jí)電容器的組裝方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前電子器件的發(fā)展，超級(jí)電容器正在向著輕便，簡潔的方向發(fā)展。
碳納米管具有高的比表面積和電導(dǎo)率，是一種理想的超級(jí)電容器電極材料。目前，主要通過將碳納米管與導(dǎo)電聚合物混合，然后將混合物涂到導(dǎo)電基底上或在基底上直接沉積純碳納米管薄膜作為電極材料。然而，由于聚合物的加入將會(huì)降低碳管薄膜電極的電導(dǎo)率和多孔率，對(duì)電荷在電極中的轉(zhuǎn)移和電解液中離子在電極孔隙中的擴(kuò)散有著不利影響，導(dǎo)致超級(jí)電容器功率密度下降。然而，純碳納米管薄膜具有較高導(dǎo)電性和多孔結(jié)構(gòu)，能有效克服導(dǎo)電聚合物對(duì)電極的影響，可以直接作為超級(jí)電容器的電極材料。但是，以上兩種碳納米管電極不得不平鋪到金屬薄片或其他基底上�；椎氖褂脤�(huì)增加超級(jí)電容器的重量，金屬薄片或其他基底的柔韌可折性均較差。因此，目前基于碳納米管的超級(jí)電容器仍然是傳統(tǒng)的紐扣式結(jié)構(gòu)，即三明治結(jié)構(gòu)。如何利用碳納米管構(gòu)建高性能的簡潔超級(jí)電容器是未來碳納米管超級(jí)電容器發(fā)展的一個(gè)方向。
物理所納米材料與介觀物理課題組多年來一直致力于碳納米管薄膜制備、物性與應(yīng)用基礎(chǔ)的研究，取得了系列成果（Nano. Lett. 2007, 7, 2307; Adv. Mater. 2009, 21, 603; Nano. Lett. 2009, 9, 2855）。最近，該課題組牛志強(qiáng)博士、周維亞研究員、解思深院士等與澳大利亞臥龍崗大學(xué)智能聚合物研究所陳俊博士、物理所清潔能源實(shí)驗(yàn)室E01組李泓研究員、馮國星博士合作，充分利用直接生長的自支撐柔性碳納米管薄膜的高導(dǎo)電率、高力學(xué)性能、高自吸附力等特點(diǎn)，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、能量密度和功率密度高的碳納米管薄膜簡潔式超級(jí)電容器及其制備方法。
他們利用有機(jī)溶液平鋪法控制直接生長的碳納米管薄膜的自吸附性，將任意數(shù)量的碳納米管薄膜非常平整地、牢固地組裝到超級(jí)電容器的隔膜上，有效地減小了碳納米管薄膜之間的連接電阻，有利于提高碳納米管薄膜電極的功率密度。而且，此方法突破了直接生長的碳納米管薄膜面積和厚度在制備薄膜電極方面的限制，有望解決大電容量碳納米管超級(jí)電容器對(duì)電極材料面積和厚度方面的需求。他們利用上述方法得到的具有規(guī)則尺寸和表面形狀的碳納米管薄膜直接作為電極材料和集流器，通過卷繞組裝成高性能的簡潔超級(jí)電容器。這種設(shè)計(jì)和組裝技術(shù)不僅有效消除了碳納米管薄膜與金屬集流器之間的接觸電阻，而且簡化了超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)，減輕了超級(jí)電容器的重量，這對(duì)于碳納米管薄膜超級(jí)電容器的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，簡潔超級(jí)電容器表現(xiàn)出理想的雙電層電容行為，在電勢(shì)反轉(zhuǎn)時(shí)，表現(xiàn)出很好的電流響應(yīng)，碳納米管薄膜簡潔超級(jí)電容器的充放電效率達(dá)99%，計(jì)算得到的質(zhì)量比電容為35 F/g，能量密度為43.7 Wh/kg，最大功率密度為197.3 kW/kg。這遠(yuǎn)大于目前用活性碳材料制備的傳統(tǒng)超級(jí)電容器的能量密度（1-10 Wh/kg）和功率密度（2-10 kW/kg）。此外，簡潔超級(jí)電容器還表現(xiàn)出了優(yōu)異的頻率特性。
