物理所碳納米管薄膜簡潔超級電容器研究取得新進展

　　最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室“納米材料與介觀物理”課題組提出了一種結構簡單、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電容器及其制備方法。相關研究結果發表在Energy & Environmental Science（2011, 4, 1440）上。

　　開發長循環壽命，高比能量和高功率密度的儲能器件一直是諸多領域研究者關注的熱點課題之一。隨著社會科技的發展，如電動汽車等許多領域對電源功率的要求大大提高，已經遠遠超出了電池的承受能力。傳統的電容器雖然功率非常大，但其能量密度有限，也不能滿足實際需要。超級電容器，也叫電化學電容器，其性能介于傳統電容器和電池之間，兼有電池高比能量和傳統電容器高比功率的特點。超級電容器在混合動力汽車，大功率雷達，移動電話信息備份電源，筆記本電腦和無電池遙控器等方面有著重要應用。隨著便攜式電子器件的發展，傳統超級電容器的組裝方式已經遠遠不能滿足當前電子器件的發展，超級電容器正在向著輕便，簡潔的方向發展。

　　碳納米管具有高的比表面積和電導率，是一種理想的超級電容器電極材料。目前，主要通過將碳納米管與導電聚合物混合，然后將混合物涂到導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降低碳管薄膜電極的電導率和多孔率，對電荷在電極中的轉移和電解液中離子在電極孔隙中的擴散有著不利影響，導致超級電容器功率密度下降。然而，純碳納米管薄膜具有較高導電性和多孔結構，能有效克服導電聚合物對電極的影響，可以直接作為超級電容器的電極材料。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。基底的使用將會增加超級電容器的重量，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電容器仍然是傳統的紐扣式結構，即三明治結構。如何利用碳納米管構建高性能的簡潔超級電容器是未來碳納米管超級電容器發展的一個方向。

　　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、物性與應用基礎的研究，取得了系列成果（Nano. Lett. 2007, 7, 2307; Adv. Mater. 2009, 21, 603; Nano. Lett. 2009, 9, 2855）。最近，該課題組牛志強博士、周維亞研究員、解思深院士等與澳大利亞臥龍崗大學智能聚合物研究所陳俊博士、物理所清潔能源實驗室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電率、高力學性能、高自吸附力等特點，提出了一種結構簡單、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電容器及其制備方法。

　　他們利用有機溶液平鋪法控制直接生長的碳納米管薄膜的自吸附性，將任意數量的碳納米管薄膜非常平整地、牢固地組裝到超級電容器的隔膜上，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電容器對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電容器。這種設計和組裝技術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，而且簡化了超級電容器的結構，減輕了超級電容器的重量，這對于碳納米管薄膜超級電容器的實際應用具有重要意義。

　　實驗結果表明，簡潔超級電容器表現出理想的雙電層電容行為，在電勢反轉時，表現出很好的電流響應，碳納米管薄膜簡潔超級電容器的充放電效率達99%，計算得到的質量比電容為35 F/g，能量密度為43.7 Wh/kg，最大功率密度為197.3 kW/kg。這遠大于目前用活性碳材料制備的傳統超級電容器的能量密度（1-10 Wh/kg）和功率密度（2-10 kW/kg）。此外，簡潔超級電容器還表現出了優異的頻率特性。

　　該工作得到了中國科學院、國家自然科學基金委員會、科技部和北京市教委相關項目的支持。

圖1 碳納米管薄膜簡潔超級電容器的制備過程示意圖

圖2 （a）平鋪碳納米管隔膜的光學照片；（b）平鋪碳管隔膜的卷繞過程的光學照片；（c）碳納米管薄膜簡潔超級電容器的光學照片；（d）碳納米管薄膜簡潔超級電容器為器件提供電能的實例的光學照片。

圖3 （a）不同掃描速率下碳納米管薄膜簡潔超級電容器的CV曲線；（b）碳納米管薄膜簡潔超級電容器的比電容隨掃描速率的變化；（c）碳納米管薄膜簡潔超級電容器2V下的充放電曲線；（d）碳納米管薄膜簡潔超級電容器的Nyquist圖譜。