刘兰兰

澳大利亚昆士兰科技大学(QUT)研究人员采用精细膜制备出了电动汽车用轻型超级电容器，可使电动汽车更节能。根据美国《每日科学》的新闻报道，昆士兰科技大学研究团队如果在纳米技术研究上取得突破，由车身面板供电的汽车可能很快就会问世了。研究人员用石墨烯和多壁碳纳米管(MWCNTs)成功制备出了轻型超级电容器，与常规电池结合使用后，可显著提高电动汽车的动力性能。

昆士兰科技大学2014年11月6日正式发布的消息更加详细地介绍了这种超级电容器、其研究过程和研究所需条件。这种“三明治”状的超级电容器（两个碳电极之间夹着电解质）可被制成具有高功率密度极其结实的薄膜。如果将这种膜嵌入到汽车的车身面板、车顶、车门、引擎罩和地板上，那么就能储存足够的能量，使电动汽车电池的电压在短短几分钟内提高。

研究人员说：“汽车需要额外的能量迸发来加速，而超级电容器正好符合该要求。超级电容器中的电荷有限，但是它能将其快速输送，使超级电容器成为大容量存储电池的良好补充。超级电容器在短时间内提供高功率输出，意味着汽车加速度更快，充电时间仅有几分钟，而标准电动汽车电池需要几个小时的充电时间。”

研究团队的刘博士说：“当前，超级电容器的能量密度低于标准锂离子电池，但其高功率密度或能够在短时间内释放能量的性能远远超越传统电池。超级电容器与标准锂离子电池相组合驱动电动汽车，显著减轻了质量并提高了性能。”

刘博士说：“希望未来能够开发出比锂离子电池存储更多能量的超级电容器，同时保留其高达十倍的快速释放能量的能力，意味着汽车能够完全由其车身面板中的超级电容器驱动。一次完全充电后，超级电容器驱动的汽车应该能跑500 km，近似于汽油驱动的汽车，比目前电动汽车行驶里程的两倍还多。这种技术也能应用于其他电池供电设备的快速充电。例如，把这种膜安放在智能手机的背面，就能使其非常快地充电。”用石墨烯和多壁碳纳米管制备的轻型超级电容器电极膜的实验过程如图1所示。

超声辅助电化学剥脱法制备石墨烯

将一片高度有序的热解石墨浸入含有0.15 mol/L的NaSO4和0.01 mol/L的十二烷基硫酸钠电解液中。通过滴加硫酸将溶液的pH值调整到~2.0。将铂丝放入溶液中作为阴极，在脱落过程中，偏置电压设置为5～6 V。将设备放在超声波浴中，加速脱落过程并降低最终石墨烯片的总厚度。在1 h内，石墨完全脱落并分散在电解质中。将黑色溶液离心去除厚片。净化处理后得到数层石墨烯片（其中54%是双层的）并分散在二甲基甲酰胺(DMF)中形成稳定的悬浮液。

MWCNTs与石墨烯相混合制备复合膜

图1 用石墨烯和多壁碳纳米管制备的轻型超级电容器电极膜的实验过程

MWCNTs是官能化的-COOH，外直径小于8 nm，长5～20μm。多壁碳纳米管和石墨烯片分别分散在DMF中形成悬浮液。将两种溶液与控制质量比的多壁碳纳米管和石墨烯混合，并在真空过滤处理过程中进行1 h的超声波降解。这种超声处理过程和过滤用的氧化铝膜（孔径20 nm）保证了电容器电极复合层的均匀性。

用作超级电容器集流体的高导电性双壁碳纳米管薄膜的制备

将双壁碳纳米管与2000 mg/L的氯磺酸混合，用搅拌机搅拌20 min。然后将溶液稀释到20 mg/L，可用于真空过滤。用三氯甲烷冲洗氧化铝过滤器上的高导电性双壁碳纳米管薄膜（DWCNT，孔径0.02μm），除去大部分的酸（膜凝结物），然后在空气中干燥。将高导电性双壁碳纳米管薄膜转移到PET基质上，将包覆高导电性双壁碳纳米管薄膜的氧化铝膜漂浮在培养皿中的1 mol/L NaOH水溶液的表面。蚀刻掉该膜后，就剩下高导电性双壁碳纳米管薄膜漂浮在溶液表面，然后排出NaOH溶液并将去离子水填充到培养皿中。将这个过程重复三次，以确保清除钠和氢氧根离子。为了转移这种膜，将PET基质浸入到水中，通过排干其中的水，高导电性双壁碳纳米管膜落到了PET薄膜上。干燥后，高导电性双壁碳纳米管膜紧贴PET衬底。类似的传递过程应用于将石墨烯-多壁碳纳米管电极膜黏贴到高导电性双壁碳纳米管薄膜上的过程。

超级电容器的制备

为了制备凝胶电解质，将1 g PVA粉末添加到10 mL去离子水和0.8 g浓磷酸溶液（85%）的混合溶液中。为了彻底溶解PVA，在不断搅拌下，将该溶液被加热到90℃。然后，在环境条件下，冷却这种透明电解液。为了制备超级电容器，包覆碳纳米材料的PET纸被切割成矩形。将两个电极膜中间的电解质在室温下的空气中自然干燥5 h。然后，将两层薄膜面对面地用机械力堆叠在一起，两层薄膜之间的重叠面积（典型的是0.6 cm×0.6 cm）用来计算面积比电容。胶体电解质用作良好的粘合剂，其厚度约15μm。为了研究两个串联超级电容器的平面组件并用四个单元的超级电容器为发光二极管供电，制备的各单元电容器的面积为1.0 cm×0.8 cm。

2014年11月10日的Azonano新闻报道了美国德克萨斯州的莱斯大学对这项研究工作的贡献。莱斯大学科学家Matteo Pasquali和其团队完成了两篇论文，报道了纳米嵌入的汽车车身可能某天就能驱动汽车。莱斯大学提供了高性能的碳纳米管薄膜，并且加入了澳大利亚昆士兰科技大学科学家的设备设计工作中，该工作是为了制备轻型薄膜，并且该薄膜包含能够快速充电储能的超级电容器。发明者希望将薄膜用作复合车门、挡板、车顶或其他车身的一部分，从而显著提高电动汽车的能量。

莱斯大学2014年11月7日的新闻报道提供了关于将薄膜用于汽车车身上的超级电容器的一些技术细节。在科学家Nunzio Motta昆士兰实验室的研究人员将脱落石墨烯与复合了塑料、纸和胶体电解质的多壁碳纳米管相结合，制备了柔性固态电容器。

Pasquali说：“Nunzio团队正在储能领域做出重要进展，我们高兴地看到我们的碳纳米管薄膜技术能够突破电流收集能力，进一步改进设备，这次很好地合作绝对是自下而上的，Marco Notarianni作为Nunzio的一个博士生，其前几年硕士学位研究期间在我们实验室花了一年的时间进行研究。”

Pasquali研究小组的研究生、论文的合著者Francesca Mirri说：“这项工作建立在我们以前发表在《ACS Nano》上的碳纳米管薄膜工作的基础上，我们开发了一种基于溶液的技术制备用于显示器中透明电极的碳纳米管薄膜。现在，我们看到用溶液处理方法制备的碳纳米管薄膜可以应用在多个领域。”

昆士兰科技大学的研究生、论文的合著者Notarianni说：“按照目前的设计，超级电容器可以通过再生制动充电，目的是与电动汽车中的锂离子电池共同工作。”因为数以百计的超级电容器安装在车身上，所以为汽车电池供电所需的电能可储存在车体中。研究人员认为这种车身最终将取代标准的锂离子电池。

在该领域，迄今的研究已表明在真实设备中的石墨烯能达到的表面积（决定超级电容器电极可以存储多少离子及其能量密度的因素）并不优于传统活性炭。事实上，它可能不会优于曾报道过的废弃烟头。

虽然石墨烯不会有助于提高超级电容器的能量密度，其在这种应用中的效用可能在于其天然的高导电性将允许超导体比目前市场上的超导体以更高的频率工作。另一种益处可能是石墨烯可以结构化或缩小，不像其他的超级电容器材料。

该研究结果可能会改变汽车工业的局面，对金融、环境等方面产生重大影响。Motta教授说：“我们正在用价格便宜的碳材料制作超级电容器，并且工业规模的生产成本会更低。锂离子电池的价格不会降低很多，因为锂的价格一直较高。昆士兰科技大学的这种技术不依赖于金属或其他有毒材料，因此在处理时，对环境友好。”