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(dòng)汽車用輕型超級(jí)電容器，可使電動(dòng)汽車更節(jié)能。根據(jù)美國(guó)《每日科學(xué)》的新聞報(bào)道，昆士蘭科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)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(huì)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(jí)電容器，與常規(guī)電池結(jié)合使用后，可顯著提高電動(dòng)汽車的動(dòng)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(jí)電容器、其研究過程和研究所需條件。這種“三明治”狀的超級(jí)電容器（兩個(gè)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(shí)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(chǔ)存足夠的能量，使電動(dòng)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(jí)電容器正好符合該要求。超級(jí)電容器中的電荷有限，但是它能將其快速輸送，使超級(jí)電容器成為大容量存儲(chǔ)電池的良好補(bǔ)充。超級(jí)電容器在短時(shí)間內(nèi)提供高功率輸出，意味著汽車加速度更快，充電時(shí)間僅有幾分鐘，而標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)汽車電池需要幾個(gè)小時(shí)的充電時(shí)間?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)的劉博士說：“當(dāng)前，超級(jí)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(shí)間內(nèi)釋放能量的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)電池。超級(jí)電容器與標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池相組合驅(qū)動(dòng)電動(dòng)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(chǔ)更多能量的超級(jí)電容器，同時(shí)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(jí)電容器驅(qū)動(dòng)。一次完全充電后，超級(jí)電容器驅(qū)動(dòng)的汽車應(yīng)該能跑500 km，近似于汽油驅(qū)動(dòng)的汽車，比目前電動(dòng)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?？斓爻潆姟！庇檬┖投啾谔技{米管制備的輕型超級(jí)電容器電極膜的實(shí)驗(yàn)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(jí)電容器電極膜的實(shí)驗(yàn)過程

MWCNTs是官能化的-COOH，外直徑小于8 nm，長(zhǎng)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(jí)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(gè)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(jí)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(jí)電容器，包覆碳納米材料的PET紙被切割成矩形。將兩個(gè)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(duì)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(jì)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?jī)蓚€(gè)串聯(lián)超級(jí)電容器的平面組件并用四個(gè)單元的超級(jí)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(bào)道了美國(guó)德克薩斯州的萊斯大學(xué)對(duì)這項(xiàng)研究工作的貢獻(xiàn)。萊斯大學(xué)科學(xué)家Matteo Pasquali和其團(tuán)隊(duì)完成了兩篇論文，報(bào)道了納米嵌入的汽車車身可能某天就能驅(qū)動(dòng)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(jì)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(chǔ)能的超級(jí)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(dòng)汽車的能量。

萊斯大學(xué)2014年11月7日的新聞報(bào)道提供了關(guān)于將薄膜用于汽車車身上的超級(jí)電容器的一些技術(shù)細(xì)節(jié)。在科學(xué)家Nunzio Motta昆士蘭實(shí)驗(yàn)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(duì)正在儲(chǔ)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(duì)是自下而上的，Marco Notarianni作為Nunzio的一個(gè)博士生，其前幾年碩士學(xué)位研究期間在我們實(shí)驗(yàn)室花了一年的時(shí)間進(jìn)行研究。”

Pasquali研究小組的研究生、論文的合著者Francesca Mirri說：“這項(xiàng)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?，F(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(gè)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(jì)，超級(jí)電容器可以通過再生制動(dòng)充電，目的是與電動(dòng)汽車中的鋰離子電池共同工作?！币?yàn)閿?shù)以百計(jì)的超級(jí)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(chǔ)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(shí)設(shè)備中的石墨烯能達(dá)到的表面積（決定超級(jí)電容器電極可以存儲(chǔ)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(shí)上，它可能不會(huì)優(yōu)于曾報(bào)道過的廢棄煙頭。

雖然石墨烯不會(huì)有助于提高超級(jí)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(chǎng)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(jí)電容器材料。

該研究結(jié)果可能會(huì)改變汽車工業(yè)的局面，對(duì)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(jià)格便宜的碳材料制作超級(jí)電容器，并且工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)成本會(huì)更低。鋰離子電池的價(jià)格不會(huì)降低很多，因?yàn)殇嚨膬r(jià)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(shí)，對(duì)環(huán)境友好?！?/p>