美开发超级电容用多孔碳纤维

日前，美国弗吉尼亚大学理学院化学专业副教授Guoliang “Greg” Liu在权威期刊Science Advances上发表了一篇论文，详细介绍了其所在实验室采用嵌段共聚物，在工业环境下合成出了如海绵般内部均匀分布中孔结构的碳纤维材料，这是从理论向实际应用迈出的重要一步，结果令人欢欣鼓舞。Guoliang “Greg” Liu同时也是该校大分子创新研究所的成员，一直致力于均匀多孔结构碳纤维材料的开发。

在该文章发表一周后，Liu在Nature Communications上发表了另一篇论文，展示了所开发的多孔碳纤维所具有的高能量密度和高电子/离子充放电特性，而这在电化学储能装置中通常是互斥的。

“这是与工业相关的下一步研究，” Liu表示。“我们希望能够开发出工业友好的生产工艺。如今，碳纤维在工业界不再是单一的结构材料，还可作为汽车、飞机及其他领域的储能平台材料使用。”

赝电容材料介绍

目前，碳纤维以其显著的强度和重量优势，已被广泛应用于航空航天、汽车等工业领域。Liu的长期目标是采用多孔碳纤维制造汽车车身外壳，并利用多孔结构进行储能。

但仅靠碳纤维一种材料是不够的。尽管碳纤维可以作为超级电容的基本材料，但碳纤维并不具备足够高的能量密度来满足高要求高端应用对超级电容的性能要求。

目前的工业标准可以将碳纤维与所知的赝电容材料相结合，发挥其超强的储能能力，但同时却存在充放电效率较低的问题。

通常使用的赝电容材料为二氧化锰（MnO2），其成本低廉且性能适中。为了在碳纤维或其它材料上沉积二氧化锰，Liu将纤维浸泡在高锰酸钾（KMnO4）前躯体中。前躯体能够与碳纤维发生反应，腐蚀掉纤维表面一薄层碳，并将厚度2nm左右的涂层沉积在纤维表面。

但工业上面临着二氧化锰带来的挑战。二氧化锰过少，会导致储能过低；而二氧化锰过多，涂层过厚则会导致电绝缘。更糟糕的是，会显著降低离子的迁移速度。而这都将减缓充放电的速率。

Liu说：“我们希望将碳纤维与赝电容材料配合使用主要是考虑二者结合能够显著提高碳纤维的能量密度。现在的问题在于如何解决电子和离子导电性的问题。”

幸运的是，Liu发现多孔碳纤维能够打破上述僵局。测试结果表明多孔碳纤维能够沉积大量的二氧化锰，同时保持高的充放电速率。

Liu的研究团队证实在性能下降前，二氧化锰的沉积量可以达到7 mg/cm2。这已经是目前工业上沉积二氧化锰涂层厚度的2倍或近3倍。

“7mg/cm² 已经达到了理论极限的84%，”Liu说。“而如果按照该厚度沉积其他材料，性能则无法达到这么高。”

多孔碳纤维的生产和二氧化锰的沉积

近期应用

按照目前Liu所在实验室发表论文的速度，实现通过壳体给汽车供能会比我们想象的要快。但Liu却不这么认为。

“在我们的长期发展计划中，我们可以用超级电容电动汽车替代燃油汽车，”Liu表示。“目前，至少我们可以把它作为汽车的储能部件。”

Liu说，近期的可能应用是采用碳纤维部件在短时间内大量储能，从而实现汽车加速。

同时，Liu也期待将该材料应用到汽车行业之外的其他运输行业。

“如果你想采用无人机为亚马逊（Amazon）递送货物，希望投递的货物尽可能多，而自身重量尽可能轻，多孔碳纤维无人机完全能够满足这两点要求。一方面，作为结构材料，碳纤维能够承载更多货物，另一方面，作为储能材料，能够同时为运输过程提供动力。”

“我认为多孔碳纤维是一种平台材料，”Liu说。“在这两篇论文中，我们主要关注了其在汽车上的储能功能。但我们坚信该材料会在更多领域获得应用，希望不久后我们能将更多的成果跟大家分享。”