在能源存儲領域，韓國研究團隊取得了一項突破，他們利用單壁碳納米管（CNT）和導電聚合物聚苯胺（PANI）研制出了一種新型超級電容。與傳統電池相比，這款超級電容具有顯著優勢，包括充電速度快、功率密度高以及數萬次的充電循環壽命。這種超級電容還易于批量制造，有望為能源存儲領域帶來變革。

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電池與電容

電池和電容都是常見的儲能元件，電池通過化學反應來儲存和釋放電能，電容的儲能原理則與電池截然不同。它由兩片導電極板和中間的絕緣介質組成，通過電場來儲存能量。電容具有充電速度快、功率密度高以及循環壽命長等優點，但其能量密度相對較低，使它難以替代電池供電。

將單層石墨烯片卷曲成中空管就是單壁碳納米管，這種納米管的直徑僅幾納米，是一種一維納米材料。單壁碳納米管具有極高的強度和優異的導電性能，通過調整其結構，還可以使其在導體和半導體之間進行轉換。

在材料科學領域，一維和二維材料的定義基于材料的尺寸。當材料的長寬高有一個維度在100納米以下時，這種材料被稱為二維材料；而當有兩個維度在100納米以下時，則被稱為一維材料。

研究人員進一步將成本低廉的導電聚合物聚苯胺與高導電性的單壁碳納米管均勻結合在一起，創造了一種復雜的纖維結構——CNT-PANI復合纖維。這種復合纖維結構為電子和離子提供了順暢的運動通道，同時在納米尺度的電容單元中實現了電荷的有效積蓄。因此，CNT-PANI復合纖維能夠存儲更多的能量，并且能夠更快地釋放這些能量，從而制造出性能優異的超級電容。

CNT-PANI復合纖維，PgC10表示聚苯胺（PANI）含量10%

在測試中，這種超級電容展現出了卓越的性能。其能量密度已經接近甚至超過了當前的普通鋰電池，這是其他超級電容所難以達到的。在經過十萬次充電循環后，這種超級電容仍能保持穩定的性能。

即使在高壓環境中，其性能也依然穩定可靠。這種獨特的性能特點使得超級電容特別適用于短時大功率的應用場景，如電動汽車的加速和制動過程，以及可再生能源發電中的能量緩沖等。

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批量生產

降低成本的關鍵步驟

成本問題往往是制約材料商業化的關鍵因素之一。單壁碳納米管在過去曾因生產成本過高而難以實現大規模商業化。然而，韓國科學家團隊通過引入聚苯胺，成功解決了這一難題。他們將聚苯胺和單壁碳納米管混合后，通過一種特殊的“針管”設備，利用多孔噴頭將其擠入凝固液中。

在這一過程中，聚苯胺在纖維中均勻分布，同時纖維在固化過程中被拉伸，最終形成高強度的CNT-PANI復合纖維。這樣一次能拉出300根纖維，大大降低了生產成本，為新材料的商業化應用奠定了堅實的基礎。

規?；a，可以一次拉出幾百根碳納米管

生產設備（左上），從單股纖維到300股纖維（右上），10%和50%PANI比例纖維（左下），產品結構示意圖（右下）

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把超級電容裝上電車

超級電容非常適合電動汽車領域，它充放電的速度飛快，當汽車加速時能快速放電，減速時則能夠快速回收能量，可以有效彌補電池在快速充放電方面的不足，從而延長電池的使用壽命。

他們利用CNT-PANI復合纖維制造了柔性薄膜電容，并將其與電池結合，成功應用于實驗小車上。實驗結果表明，這種結合了超級電容和電池的系統能夠在不同工況下靈活切換，實現能量密度和功率密度的最佳平衡，顯著提高了電動汽車的性能和續航里程。

打開超級電容時小車跑得更遠

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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壹零社：用圖文、視頻記錄科技互聯網新鮮事、電商生活、云計算、ICT領域、消費電子，商業故事?！吨袊W》每周全文收錄；中國科技報刊100強；2021年微博百萬粉絲俱樂部成員；2022年抖音優質科技內容創作者