超級電容器研究展望—范壯軍教授專訪

《物理化學學報》編輯部

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

超級電容器是指介于傳統電容器和充電電池之間的儲能裝置，它既具有電容器快速充放電的特性，同時又具有電池的儲能特性。但與傳統電容器相比，超級電容器具有更大的比電容、更高的能量密度、更長的使用壽命等特點，而與電池相比，超級電容器又具有更高的功率密度、長壽命及綠色環保等優點。

國家把超級電容器關鍵材料及其器件設計列入《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》和《國家“十一五”科學技術發展規劃》。

我們有幸采訪了超級電容器大咖，《物理化學學報》“超級電容器”特刊的客座編輯范壯軍教授，為我們分享他對超級電容器的真知灼見。

問題1：范教授，在您的科研生涯中從事過哪些方面的研究？您從什么時候開始從事超級電容器方面的研究？

回答：我開展碳材料的研究已經有22年了，期間先后從事高比表面積活性炭、高導熱石墨、碳納米管、膨脹石墨以及后來石墨烯的研究，從2007年開展超級電容器的研究。

問題2：請介紹一下您的課題組在超級電容器領域取得的主要成果？

回答：高效炭儲能材料的結構設計及器件的組裝是研發下一代高能量密度超級電容器亟需解決的關鍵科學難題。針對目前超級電容器炭電極材料的質量/體積比容量不佳，尤其是在高負載量、大電流下容量迅速衰減的關鍵問題，本課題組從材料微納結構設計角度出發，發展了多種炭致密體多維度空間構筑策略，在二維炭表面構筑空間儲能單元，層間構筑多向離子遷移通道，內部構筑三維導電網絡，進而實現碳儲能空間的高效利用。

問題3：請您簡單回顧一下超級電容器領域最近幾年的里程碑進展？

回答：在研究方面，二維結構石墨烯的出現為碳電極材料的設計提供新的思路和借鑒意義，其本身具有優良的導電性和機械強度，同時儲能本質上依賴于二維固體表面而不是微孔，實現了電極內離子/電子快速輸運和高功率輸出。在應用方面，我國陸續研制出快速充電的超級電容儲能公交電車，并在多個城市試點運行。

問題4：目前我國超級電容器研究在國際上處于什么水平？

回答：目前我國在超級電容器電極材料的設計開發方面取得了較大進展，但我們仍然需要認識到我們在理論原始創新方面略顯不足。此外基礎研究與產業化結合不夠緊密，對實際應用的指導和產業貢獻仍然不足，需要進一步努力。

問題5：在中美貿易摩擦的背景下，超級電容器領域有迫切需要突破的被卡脖子技術嗎？

回答：盡管我國在超級電容器生產和應用方面走在世界前面，但也應該深刻認識到材料的關鍵核心技術仍被國外企業所壟斷，多數高端活性炭、導電炭黑、粘結劑、隔膜仍然需要從歐美國家、日本、韓國等地大量進口。

問題6：超級電容器在哪些方面獲得了實際應用？回答：目前超級電容器在國防軍工、城市交通、輕軌列車、風電儲能、大功率備用電源等領域已經得到了應用。例如寧波中車集團推出超級電容儲能式有軌、無軌電車，研制出60000 F電池型電容，能量密度可達40 Wh·kg-1，充電僅需6-8 min續航20 km以上，已經在廣州、寧波、深圳、武漢、淮安等地投放運行。2011年Maxwell公司推出了超級電容器發動機啟動模塊，專門用于重型柴油機卡車的發動機電源，以及在叉車、港口起重設備和礦業設備上也取得了一定應用。

超級電容器的獨特快速充放電能力還將在電動汽車和混合動力汽車制動能量回收領域有廣泛的應用，即在車輛剎車制動時通過超級電容器將車輛強大的動能快速轉化為電能進行儲存，并在車輛再次啟動時作為推進能源繼續使用。

問題7：您可否預測一下超級電容器的發展趨勢？

回答：我個人認為超級電容器的發展趨勢主要集中以下三個方面：1、隨著科技的快速發展，儲能模塊的高效化、輕量化和小型化發展是不變的主題，這就對材料儲能空間的高效利用的設計提出了更高要求。2、超級電容器的最大優點是高功率密度，但其能量密度不佳。目前旨在提高電容器能量密度的工作如使用贗電容材料、使用氧化還原電解液、設計非對稱器件等往往會犧牲其功率特性，從而喪失了超級電容器的本質屬性。因此，如何保持其快速充放電能力的前提下有效提高其質量/體積能量密度是未來發展的趨勢。3、超級電容器的功能化集成將在柔性儲能、可穿戴器件、微納器件等方面展現出極大的應用潛質。

問題8：您對準備從事超級電容器研究的青年學者有何建議？

回答：青年學者要有科研激情，大膽突破傳統認知，刻苦鉆研的精神，瞄準領域關鍵科學問題進行深入思考并為之奮斗，同時加強交叉學科之間的相互合作。另一方面，需要青年學者走出去，多參加國際學術會議拓寬思路和視野，多到企業和應用現場看看，真正了解材料和器件在使用過程中存在的實際問題，進一步推進產學研緊密結合，為超級電容器產業的發展提供年輕智慧和力量。