最近北美的两所大学分别在超级电容器的研究方面取得进展。有意思的是，其中一所大学的研究改变了超级电容的体积和重量，从而使其摆脱了装置在混合动力电动汽车上时所受位置和空间的限制。但是其最大的缺点是，电极具有高电阻。而另一所大学利用碳化蛋壳膜，制作出能够用于超级电容器的电极材料，电阻极小，可以快速转移电解质，实现快速充放电。

超级电容器技术新突破 电极材料是重点

文/苏笑远

超级电容器的重量和体积不再“大”

由于超级电容可以充电，且供电比电池快很多，因此使用超级电容器与电池结合，可以显著提高混合动力电动汽车的燃油经济性。

美国明尼苏达大学机械工程教授拉杰什•拉加曼尼表示，由于电池不能迅速获取或供应能量，当车辆迅速制动时，必须使用摩擦制动，以补充电磁制动，因为电磁制动器不能给电池快速充电。而超级电容器可以非常迅速地获取和供应能量。

由于超级电容器常使用危险的液体电解质，必须密封和安置，因此导致了超级电容器的重量和体积都非常大。要把超级电容器安装在混合动力电动汽车上，就要在引擎盖下找到适当的空间。拉加曼尼和他的合作伙伴共同设计了一种完全固态的超级电容器，包含固态电解质，不需要笨重的防护材料。据了解，这种新型超级电容器薄且柔韧，其性能可媲美商用超级电容器，几乎可以随处安装在混合动力汽车上，甚至可以安装在车体内表面。

据了解，这种新的固态超级电容器以单壁碳纳米管涂层的棉纸用作电极，其电解质是聚合物。制作电极使用棉纸重量轻，吸水性能出色。把棉纸切割成所需的形状后，反复浸入酸处理碳纳米管溶液中，这些纳米管会有力地键合到棉纸上。制作电解质时，研究人员混合一种聚合物溶液，进行加热，这种溶液最初看起来像一种透明的胶状凝胶。把成品电极浸入这种凝胶，使电极面对面排列，然后干燥处理，电解质就会凝固。

这种新型超级电容器的比电容是13.15法拉/克，单位能量是每千克5.54瓦时，非常类似商用超级电容器的值，充电可以超过3伏，非常有利于实现高能量密度，或使用给定的体积存储更多的能量。但是其最大缺点是高电阻，这会降低整体功率密度，因此，也会降低充电速度。研究人员认为，这种高电阻源自纸质碳纳米管电极，这种电极的电阻高于金属电极。

高导电率的电极材料——碳化鸡蛋壳膜

有趣的是，加拿大阿尔伯塔大学的研究人员利用碳化鸡蛋壳膜制造出一种用于超级电容器的高电导率的电极材料，或许能够解决拉加曼尼和他的伙伴们所面临的难题。

加拿大阿尔伯塔大学的博士后研究员李治（Zhi Li）说，理想的超级电容器同时具有高能量密度和高功率密度，有了给定的电位窗，能量密度就决定于具体的电容，而功率密度则取决于串联电阻，这主要产生于电极材料的电阻。高电导率的电极材料是很重要的，这是因为考虑到功率密度。然而，活性碳复杂的微孔结构和无序纹理，会限制电子转移的效率，形成性能欠佳的超级电容器。

以李治为代表的加拿大阿尔伯塔大学的研究人员表示，鸡蛋壳膜可以转换成高性能碳材料，用于超级电容器。

据介绍，由于碳化的蛋壳膜是一种三维多孔碳薄膜，包含交织相连的碳纤维，其中含有约10％的净重氧和8％的净重氮。尽管有相对较低的比表面积，也就是221 m2 g−1，但是，基本电解质和酸性电解质有特殊的具体电容，分别是297 F g−1和284 F g−1，这是采用三电极系统。此外，这种电极表现出良好的循环稳定性：1万次循环后，只观察到3％的电容衰落，电流密度为4 A g−1。碳化鸡蛋壳膜的独特结构有利于电子和电解质转移，这就使这种材料可以理想地进行高功率应用，如用于驱动电动汽车。

李治表示，最重要的是鸡蛋壳膜具有惊人的天然结构，碳化蛋壳膜是一个真正的“集成系统”，包含交织的碳纤维，这些碳纤维直径在50纳米到2微米，大纤维和细小纤维天然连接在一起。这种碳化蛋壳膜是一种高效的电子传输系统，其电阻比没有这种结构的无序活性碳低20倍。此外，蛋壳膜的多孔系统可以快速转移电解质，能够实现快速充放电。由于具有独特的结构，碳化蛋壳膜可以在高负载电流下运行，用它制成的电容器充放电速度更快，超过传统碳制成的电容器。

据介绍，碳化蛋壳膜的独特结构，使其系统电导率提高了一个量级，超过活性碳，这使它成为理想的电极材料，可用于高功率密度的超级电容器。

目前的商用超级电容器大多是电双层电容器，能量存储在间隔很近的两层，这两层具有相反的电荷，可提供快速充电/放电率，可维持数百万个周期。近年来，越来越多的研究人员开始研究各种碳纳米材料，如碳纳米管，碳纳米洋葱，以及石墨烯等。

李治坦承，碳纳米管和石墨烯具有高得多的内在电导率，超过碳化蛋壳膜，最大的挑战是，如何把这些材料集成到有效的系统中，发挥各种材料的优点，而且消除各自的缺点。