澳大利亞科學(xué)家研發(fā)出輕型超級電容器

劉蘭蘭

澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)(QUT)研究人員采用精細(xì)膜制備出了電動汽車用輕型超級電容器，可使電動汽車更節(jié)能。根據(jù)美國《每日科學(xué)》的新聞報道，昆士蘭科技大學(xué)研究團(tuán)隊如果在納米技術(shù)研究上取得突破，由車身面板供電的汽車可能很快就會問世了。研究人員用石墨烯和多壁碳納米管(MWCNTs)成功制備出了輕型超級電容器，與常規(guī)電池結(jié)合使用后，可顯著提高電動汽車的動力性能。

昆士蘭科技大學(xué)2014年11月6日正式發(fā)布的消息更加詳細(xì)地介紹了這種超級電容器、其研究過程和研究所需條件。這種“三明治”狀的超級電容器（兩個碳電極之間夾著電解質(zhì)）可被制成具有高功率密度極其結(jié)實的薄膜。如果將這種膜嵌入到汽車的車身面板、車頂、車門、引擎罩和地板上，那么就能儲存足夠的能量，使電動汽車電池的電壓在短短幾分鐘內(nèi)提高。

研究人員說：“汽車需要額外的能量迸發(fā)來加速，而超級電容器正好符合該要求。超級電容器中的電荷有限，但是它能將其快速輸送，使超級電容器成為大容量存儲電池的良好補充。超級電容器在短時間內(nèi)提供高功率輸出，意味著汽車加速度更快，充電時間僅有幾分鐘，而標(biāo)準(zhǔn)電動汽車電池需要幾個小時的充電時間?！?/p>

研究團(tuán)隊的劉博士說：“當(dāng)前，超級電容器的能量密度低于標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池，但其高功率密度或能夠在短時間內(nèi)釋放能量的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)電池。超級電容器與標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池相組合驅(qū)動電動汽車，顯著減輕了質(zhì)量并提高了性能?！?/p>

劉博士說：“希望未來能夠開發(fā)出比鋰離子電池存儲更多能量的超級電容器，同時保留其高達(dá)十倍的快速釋放能量的能力，意味著汽車能夠完全由其車身面板中的超級電容器驅(qū)動。一次完全充電后，超級電容器驅(qū)動的汽車應(yīng)該能跑500 km，近似于汽油驅(qū)動的汽車，比目前電動汽車行駛里程的兩倍還多。這種技術(shù)也能應(yīng)用于其他電池供電設(shè)備的快速充電。例如，把這種膜安放在智能手機(jī)的背面，就能使其非常快地充電。”用石墨烯和多壁碳納米管制備的輕型超級電容器電極膜的實驗過程如圖1所示。

超聲輔助電化學(xué)剝脫法制備石墨烯

將一片高度有序的熱解石墨浸入含有0.15 mol/L的NaSO4和0.01 mol/L的十二烷基硫酸鈉電解液中。通過滴加硫酸將溶液的pH值調(diào)整到~2.0。將鉑絲放入溶液中作為陰極，在脫落過程中，偏置電壓設(shè)置為5～6 V。將設(shè)備放在超聲波浴中，加速脫落過程并降低最終石墨烯片的總厚度。在1 h內(nèi)，石墨完全脫落并分散在電解質(zhì)中。將黑色溶液離心去除厚片。凈化處理后得到數(shù)層石墨烯片（其中54%是雙層的）并分散在二甲基甲酰胺(DMF)中形成穩(wěn)定的懸浮液。

MWCNTs與石墨烯相混合制備復(fù)合膜

圖1 用石墨烯和多壁碳納米管制備的輕型超級電容器電極膜的實驗過程

MWCNTs是官能化的-COOH，外直徑小于8 nm，長5～20μm。多壁碳納米管和石墨烯片分別分散在DMF中形成懸浮液。將兩種溶液與控制質(zhì)量比的多壁碳納米管和石墨烯混合，并在真空過濾處理過程中進(jìn)行1 h的超聲波降解。這種超聲處理過程和過濾用的氧化鋁膜（孔徑20 nm）保證了電容器電極復(fù)合層的均勻性。

用作超級電容器集流體的高導(dǎo)電性雙壁碳納米管薄膜的制備

將雙壁碳納米管與2000 mg/L的氯磺酸混合，用攪拌機(jī)攪拌20 min。然后將溶液稀釋到20 mg/L，可用于真空過濾。用三氯甲烷沖洗氧化鋁過濾器上的高導(dǎo)電性雙壁碳納米管薄膜（DWCNT，孔徑0.02μm），除去大部分的酸（膜凝結(jié)物），然后在空氣中干燥。將高導(dǎo)電性雙壁碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移到PET基質(zhì)上，將包覆高導(dǎo)電性雙壁碳納米管薄膜的氧化鋁膜漂浮在培養(yǎng)皿中的1 mol/L NaOH水溶液的表面。蝕刻掉該膜后，就剩下高導(dǎo)電性雙壁碳納米管薄膜漂浮在溶液表面，然后排出NaOH溶液并將去離子水填充到培養(yǎng)皿中。將這個過程重復(fù)三次，以確保清除鈉和氫氧根離子。為了轉(zhuǎn)移這種膜，將PET基質(zhì)浸入到水中，通過排干其中的水，高導(dǎo)電性雙壁碳納米管膜落到了PET薄膜上。干燥后，高導(dǎo)電性雙壁碳納米管膜緊貼PET襯底。類似的傳遞過程應(yīng)用于將石墨烯-多壁碳納米管電極膜黏貼到高導(dǎo)電性雙壁碳納米管薄膜上的過程。

超級電容器的制備

為了制備凝膠電解質(zhì)，將1 g PVA粉末添加到10 mL去離子水和0.8 g濃磷酸溶液（85%）的混合溶液中。為了徹底溶解PVA，在不斷攪拌下，將該溶液被加熱到90℃。然后，在環(huán)境條件下，冷卻這種透明電解液。為了制備超級電容器，包覆碳納米材料的PET紙被切割成矩形。將兩個電極膜中間的電解質(zhì)在室溫下的空氣中自然干燥5 h。然后，將兩層薄膜面對面地用機(jī)械力堆疊在一起，兩層薄膜之間的重疊面積（典型的是0.6 cm×0.6 cm）用來計算面積比電容。膠體電解質(zhì)用作良好的粘合劑，其厚度約15μm。為了研究兩個串聯(lián)超級電容器的平面組件并用四個單元的超級電容器為發(fā)光二極管供電，制備的各單元電容器的面積為1.0 cm×0.8 cm。

2014年11月10日的Azonano新聞報道了美國德克薩斯州的萊斯大學(xué)對這項研究工作的貢獻(xiàn)。萊斯大學(xué)科學(xué)家Matteo Pasquali和其團(tuán)隊完成了兩篇論文，報道了納米嵌入的汽車車身可能某天就能驅(qū)動汽車。萊斯大學(xué)提供了高性能的碳納米管薄膜，并且加入了澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)科學(xué)家的設(shè)備設(shè)計工作中，該工作是為了制備輕型薄膜，并且該薄膜包含能夠快速充電儲能的超級電容器。發(fā)明者希望將薄膜用作復(fù)合車門、擋板、車頂或其他車身的一部分，從而顯著提高電動汽車的能量。

萊斯大學(xué)2014年11月7日的新聞報道提供了關(guān)于將薄膜用于汽車車身上的超級電容器的一些技術(shù)細(xì)節(jié)。在科學(xué)家Nunzio Motta昆士蘭實驗室的研究人員將脫落石墨烯與復(fù)合了塑料、紙和膠體電解質(zhì)的多壁碳納米管相結(jié)合，制備了柔性固態(tài)電容器。

Pasquali說：“Nunzio團(tuán)隊正在儲能領(lǐng)域做出重要進(jìn)展，我們高興地看到我們的碳納米管薄膜技術(shù)能夠突破電流收集能力，進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備，這次很好地合作絕對是自下而上的，Marco Notarianni作為Nunzio的一個博士生，其前幾年碩士學(xué)位研究期間在我們實驗室花了一年的時間進(jìn)行研究?！?/p>

Pasquali研究小組的研究生、論文的合著者Francesca Mirri說：“這項工作建立在我們以前發(fā)表在《ACS Nano》上的碳納米管薄膜工作的基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了一種基于溶液的技術(shù)制備用于顯示器中透明電極的碳納米管薄膜。現(xiàn)在，我們看到用溶液處理方法制備的碳納米管薄膜可以應(yīng)用在多個領(lǐng)域?！?/p>

昆士蘭科技大學(xué)的研究生、論文的合著者Notarianni說：“按照目前的設(shè)計，超級電容器可以通過再生制動充電，目的是與電動汽車中的鋰離子電池共同工作?！币驗閿?shù)以百計的超級電容器安裝在車身上，所以為汽車電池供電所需的電能可儲存在車體中。研究人員認(rèn)為這種車身最終將取代標(biāo)準(zhǔn)的鋰離子電池。

在該領(lǐng)域，迄今的研究已表明在真實設(shè)備中的石墨烯能達(dá)到的表面積（決定超級電容器電極可以存儲多少離子及其能量密度的因素）并不優(yōu)于傳統(tǒng)活性炭。事實上，它可能不會優(yōu)于曾報道過的廢棄煙頭。

雖然石墨烯不會有助于提高超級電容器的能量密度，其在這種應(yīng)用中的效用可能在于其天然的高導(dǎo)電性將允許超導(dǎo)體比目前市場上的超導(dǎo)體以更高的頻率工作。另一種益處可能是石墨烯可以結(jié)構(gòu)化或縮小，不像其他的超級電容器材料。

該研究結(jié)果可能會改變汽車工業(yè)的局面，對金融、環(huán)境等方面產(chǎn)生重大影響。Motta教授說：“我們正在用價格便宜的碳材料制作超級電容器，并且工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)成本會更低。鋰離子電池的價格不會降低很多，因為鋰的價格一直較高。昆士蘭科技大學(xué)的這種技術(shù)不依賴于金屬或其他有毒材料，因此在處理時，對環(huán)境友好。”