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    最近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)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(jiǎn)單、重量輕、能量密度和功率密度高的碳納米管薄膜簡(jiǎn)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(zhǎng)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(wú)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(jiǎn)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(jiǎn)潔超級(jí)電容器是未來(lái)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(lái)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(guó)星博士合作，充分利用直接生長(zhǎng)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(jiǎn)單、重量輕、能量密度和功率密度高的碳納米管薄膜簡(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)潔超級(jí)電容器還表現(xiàn)出了優(yōu)異的頻率特性。

    該工作得到了中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部和北京市教委相關(guān)項(xiàng)目的支持。

圖1 碳納米管薄膜簡(jiǎn)潔超級(jí)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(xué)照片；（b）平鋪碳管隔膜的卷繞過程的光學(xué)照片；（c）碳納米管薄膜簡(jiǎn)潔超級(jí)電容器的光學(xué)照片；（d）碳納米管薄膜簡(jiǎn)潔超級(jí)電容器為器件提供電能的實(shí)例的光學(xué)照片。

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