单壁碳纳米管:理想的超导体

超级电容器可以将能量转换为电荷储存。与电池相比,它具有更高的能量密度和更长的使用寿命。为了能使它在成为未来的能量存储技术,必须更好地控制材料的杂质、电极的机械损坏以及不良的化学反应。

颗粒状的活性炭具有很大的比表面积,所以经常被用作超级电容器的超导电极材料。但是,它的不规则表面会影响电容器的容量的使用寿命。为了制造电极,通常需要将活性炭可利用导电的粘合剂粘结成片层状,这一步骤又会引入一定的杂质。最近研究者们尝试通过使用高纯度的单壁碳纳米管(SWCNTs)来克服这一问题。

研究人员首先使用一种“supergrowth”的方法制备垂直排列的SWCNTs阵列,以尽可能增大纳米管的比表面积并减少杂质。然后将这些纳米管像用纤维制造纸张一样制成密实的层片。由于这样的过程并不需要粘结剂,所以既避免了杂质的引入,又保持了高的比表面积。

不论是否使用网孔电流采集器,这样制作的SWCNTs电极的工作电压都可以达到4V。这么高的工作电压超过了之前报道的任何单核电池、或者使用传统有机溶剂作电解液的超级电容器。功率和能量都与电压的平方成正比,所以工作电压的提高对显然是有益的。高的工作电压和SWNTs的低电阻率使其得到的功率也超过了用活性炭作电极的电容器。实际应用上考虑,单个设备的电压的提高,也可以减少达到一定电压值所需的设备数量。

高工作电压设备的工作寿命往往比较短,所以研究人员对SWNTs电极电容器进行了1000次的循环充放电试验。结果发现其容量仅有很小的降低。这是因为SWNTs电极中杂质较少,减弱了不良反应的发生;纳米管的纤维结构也保证了电极比较好的机械稳定性。而活性炭电极往往会由于杂质的不良反应导致粘合剂的逐渐失效,使得电极发生机械损坏。

考虑设备的能量密度和最大功率密度,SWCNTs电极要优于几乎所有报道过的CNT电极。商业化的电池往往具有高的能量密度和低的功率密度,而超级电容器既有高的能量密度又具备高的功率密度。通过同一些商业化设备的简单比较,研究人员对利用SWCNTs电极来弥补其间的部分空白很有信心。

A. Izadi-Najafabadi, et al., Adv. Mater., 2010; DOI: 10.1002/adma.200904349