韩国科学家开发出可同时提供高功率和高容量的下一代储能技术

他们的突破通过使用由单壁碳纳米管（CNT）和导电聚合物聚苯胺（PANI）制成的先进纤维结构解决了当前超级电容器的关键限制。

超级电容器比传统电池充电速度更快，功率密度更高，即使经过数万次充电循环，性能损失也微乎其微。然而，较低的能量密度限制了它们的使用寿命，这使得它们在电动汽车和无人机等长期应用中不太实用。

左图：碳纳米管 (CNT) 和聚苯胺 (PANI) 复合材料的示意图。图中显示，共价键合的聚苯胺均匀分布在碳纳米管之间，每个聚苯胺均可充当纳米级电池。（右图：基于这些特性制备的复合纤维同时展现出优异的功率和能量密度，超越了一般超级电容器的性能。*KIST1 为仅按聚苯胺重量计算的数值，KIST2 为按纤维重量计算的数值。）图片来源：韩国科学技术研究院 (KIST)

为了应对这一挑战，研究人员将以高导电性著称的单壁碳纳米管 (CNT) 与低成本且易于加工的导电聚合物聚苯胺 (PANI) 进行化学键合。通过在纳米尺度上结合这些材料，他们创造了一种复杂的纤维结构，从而改善了电子和离子的运动。这使得超级电容器能够存储更多能量并更快地释放能量。

为了探究复合纤维电容器的商业化潜力，研究人员引入了一种量产工艺。通过该工艺，研究人员生产了从单股纤维到300股纤维的纤维束。结果表明，由于聚苯胺（PANI）在内部充当了纳米电池的作用，比电容保持良好，没有下降。图片来源：韩国科学技术研究院 (KIST)

新型超级电容器已在超过10万次充放电循环中展现出稳定的性能，即使在高压环境下也能保持高效。凭借其卓越的耐用性和效率，该技术可以替代或增强现有的电池系统。在电动汽车领域，它能够提供快速充电能力，从而提升续航里程和性能。

无人机和机器人也可能受益于更长的运行时间和更高的可靠性。此外，CNT-PANI 复合纤维具有高度的柔韧性，可以卷起或折叠，从而用于可穿戴设备等下一代电子产品。

该研究的另一项重大成果是降低了生产成本并实现了量产。单壁碳纳米管（CNT）尽管性能优异，但由于生产成本高昂，一直难以实现商业化，但研究人员通过将其与低成本的导电聚合物聚苯胺（PANI）复合解决了这一难题。

聚苯胺复合纤维制造工艺示意图：（从左到右）形成基于碳纳米管的液晶相，将其纺入凝固浴中，固化，然后拉伸。最终得到的纤维具有聚苯胺均匀分布的结构。图片来源：韩国科学技术研究院 (KIST)

此外，他们通过简便的工艺奠定了量产基础，最近成功开发出基于该技术的薄膜状结构，进一步推进了其商业化进程。未来，该技术将作为迈向碳中和社会的关键赋能技术，广泛应用于电动汽车、机器人、无人机、可穿戴设备等各行各业。

韩国科学技术研究院的顾本哲博士表示：“这项技术利用单壁碳纳米管和导电聚合物克服了超级电容器的缺点。我们将继续开发并实现基于碳纳米管的超高性能碳纤维的产业化。”

编译自/ScitechDaily