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【资源】碳纳米管电容：让电池俯首称臣
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它和一节电池所存储的能量相同，几秒内可完成充电，几乎永不损耗……美国麻省理工学院(MIT)研究人员设计的碳纳米管超级电容是一项革命性的发明！它可能从此终结电池时代。在飞往美国汽车工业之都底特律的班机上，乔尔·辛达尔(Joel Schindall)有了这一足以引发未来交通变革的想法。当时，这位麻省理工学院(MIT)的电子与信息工程教授读到一篇关于碳纳米管的文章。 碳纳米管是一些狭长圆柱状的碳分子。当他读到密集的碳纳米管丛能够提供巨大的表面积时，忽然灵光闪现：我们能否用这些碳纳米管来制造一个超级电容，使它既有与电池相当的能量，又能在几秒内完成充电呢？经过两年半的研究，这位言谈一向极有分寸的学者再也难掩兴奋：“我们的电容真的可以改变能量世界！” 作为一种至为普通的电子元件，电容与电阻和晶体管一样，是电路的基本组件。从个人电脑到移动电话，再到汽车，它的应用无所不在。 几秒内充电完毕 起初，电容与电池的作用是一样的：它就像个能量库，能够存储或释放电流。但它们的相似也仅止于此。事实上，它们的作用是互补的。1745年发现的电容原理归根到底非常简单：以绝缘空间相隔的两个金属片，一旦被施以电压，就会从被称为“电解质”的物质中捕捉离子(即带电粒子)。在静电力的作用下，电容的每块电极片吸引异极离子，从而完成能量积蓄，这是一个完完全全的物理过程。电容内金属片表面积越大，间距越近，能够容纳的电荷(即能量)也就越多。当金属片表面积与金属片间的间距比趋于1012时，电容就成了“超级”电容。而在电池内部，恰恰相反，电流是由电解质的离子与电极物质所发生的化学反应产生的。这便导致了电容与电池在性能上的巨大差异。相较之下，前者显得更具优势，因为物理“速度”与化学“速度”实不可同日而语。 例如，超级电容可以在几秒钟或几分钟内充电完毕，而一部电池却需要几小时。这种速度上的优势也表现在放电上：一个电容可以即刻满足强大的能量需求，而一部电池却需要慢悠悠地释放它的化学能量。另外，电池内的化学反应在低温下会变得低效(化学反应青睐高温)，而超级电容可以毫无顾虑地在极其寒冷的条件下作业。最后，电池内的化学反应还会产生有害的副产品(比如汽车电池中的硫化铅)，这些物质会不断累积，从而限制电池的使用寿命：充电、放电几百个周期后便要报废。而电容则完全不受此制约，可以循环使用达几十万个周期。 如此多的优点令电容颇受汽车工业的欢迎，特别是它的可靠性和它能够迅速满足巨大能量需求的特点(几秒内释放几千瓦的能量)，尤其适宜为智能自动驾驶、刹车后能量重蓄，以及车载音响设备供电。然而，尽管有业界人士的满腔热情，超级电容却仍然定格在了电池配角的地位上。化学电池别无所长，但有一张决定性的王牌，那就是更强的存储能力。“现在的超级电容表现出的储能密度为每千克5至6瓦时，而作为现今性能最优越的电池，锂电池的储能密度可以达到每千克60至90瓦时。”美国电容器生产巨头Maxwell Technologies公司交通应用部副总裁约翰·米勒(John Miller)也不得不承认这点。不过麻省理工学院的研究人员却深信，颠覆电池在能量存储领域的霸权只不过是个时间问题。超级电容的缺陷非常容易理解：它们的“容量”取决于它们捕获离子的能力，也就是说电极提供尽可能大的表面积的能力。目下，Maxwell Technologies公司使用布满活性炭——用酸腐蚀过的多孔碳——的铝膜制造每克表面积达3000平方米的电极。电极之间的空间充满了电解质。超级电容通电后，电解质中的离子便会密集地依附在每一个电极的碳层表面，间距仅为一个离子的宽度：几乎只有1纳米！这样便达到了前文所提及的比率，并获得了我们所知的成绩。 而乔尔·辛达尔和他的团队却为活性炭找到了更神奇的替代物：碳纳米管。辛达尔把它们比作超细的发丝。但这些“发丝”具有极佳的导电能力。麻省理工学院的学者们由此获得灵感：使用碳纳米管，以获得比活性炭更大的表面积。为了达到这个目的，可以在一个导电表面上以5～10纳米的间距植上直径为几纳米、长度为100微米的碳纳米管——如果那是发丝的话，其长度将达2.5米。根据他们的理念，离子在带电碳纳米管的吸引下，会像珠子一样堆满所有间隙。 即将用于移动电话？ “我们已经计算过，这种设计可将离子捕捉面积扩大至现有产品的20到30倍，能够达到与电池相同的能量密度。”乔尔·辛达尔解释道。为了完成这个构造，麻省理工学院的研究小组采用往金属“纳米籽”上喷洒碳蒸汽的技术，碳纳米管便会从这些“纳米籽”上面“长出”。2006年春天，这个目标已顺利完成，碳纳米管“长”到120微米。接下来的任务就是要在6个月内完成一个实用的样品，并且证明这种构造的性能确实能够达到预期水平，即该产品开发的第一个目标，存储一节锂电池一半的能量。随后便是向大规模工业化生产过渡，这倒是需要好几年的时间。 |
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