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文章来源: 华尔街见闻       发布时间:2019-05-17

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5月17日,据媒体报道称,法国创业公司Nawa Technologies的创新型超级电容器可快速充电并提供理想的功率密度,随时准备在汽车、电动工具和航空等行业中脱颖而出。“华尔街见闻”称,这款超级电容器能够在不到20秒的时间内为一辆电动汽车充满电。

碳纳米管助力超级电容脱颖而出 不到20秒可充满一辆车

据了解,碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。


碳纳米管,又名巴基管,是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口)的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离,约0.34nm,直径一般为2——20 nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性,而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。


碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键,由于共轭效应显著,碳纳米管具有一些特殊的电学性质。

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碳纳米管具有良好的导电性能,由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同,所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6nm时,导电性能下降;当管径小于6nm时,CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性,尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K,但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。


常用矢量Ch表示碳纳米管上原子排列的方向,其中Ch=na1+ma2,记为(n,m)。a1和a2分别表示两个基矢。(n,m)与碳纳米管的导电性能密切相关。对于一个给定(n,m)的纳米管,如果有2n+m=3q(q为整数),则这个方向上表现出金属性,是良好的导体,否则表现为半导体。对于n=m的方向,碳纳米管表现出良好的导电性,电导率通常可达铜的1万倍。


与传统电池相比,这款超级电容器的能量密度并不大。但与其他超级电容器相比,其碳纳米管结构储存的能量增加了五倍,其充电周期可以高达100万次,这在可能测试标准电池极限的温度和环境范围内非常耐用,如太空、高温钻井或海底。


据Nawa Technologies公司表示,目前全球超级电容器市场规模约为5.6亿美元,但预计未来五年将增长400%-600%。而随着碳纳米管超级电容器将开始大规模生产,映射国内碳纳米管相关企业也有望因此受益。


据小编的了解,碳纳米管(CNT)具有独特的中空结构、良好的导电性、高比表面积、化学稳定性、适合电解质离子迁移的孔隙以及交互缠绕可形成纳米尺度的网络结构等优点,因此其作为电极材料可以显著提高超级电容器的功率特性,被认为是理想的超级电容器电极材料,成为近年来的研究热点。

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但受到制作工艺水平限制,目前CNT的比表面积利用率依然较低,使得其比电容小,成为基于CNT电容器发展的瓶颈。化学活化可以显著提高其可利用比表面积,增大其比电容,将CNT与准电容材料金属氧化物或导电聚合物复合,可以发挥各自的优势,弥补不足,并产生协同效应,从而得到低成本、高性能的复合电极材料,是其发展的一个方向。在如何保持CNT高功率特性的同时,提高其比电容也需要做更多深入的研究。


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