超級(jí)電容器研究展望—范壯軍教授專訪

《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》編輯部

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

超級(jí)電容器是指介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的儲(chǔ)能裝置，它既具有電容器快速充放電的特性，同時(shí)又具有電池的儲(chǔ)能特性。但與傳統(tǒng)電容器相比，超級(jí)電容器具有更大的比電容、更高的能量密度、更長(zhǎng)的使用壽命等特點(diǎn)，而與電池相比，超級(jí)電容器又具有更高的功率密度、長(zhǎng)壽命及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)家把超級(jí)電容器關(guān)鍵材料及其器件設(shè)計(jì)列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》和《國(guó)家“十一五”科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》。

我們有幸采訪了超級(jí)電容器大咖，《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》“超級(jí)電容器”特刊的客座編輯范壯軍教授，為我們分享他對(duì)超級(jí)電容器的真知灼見(jiàn)。

問(wèn)題1：范教授，在您的科研生涯中從事過(guò)哪些方面的研究？您從什么時(shí)候開始從事超級(jí)電容器方面的研究？

回答：我開展碳材料的研究已經(jīng)有22年了，期間先后從事高比表面積活性炭、高導(dǎo)熱石墨、碳納米管、膨脹石墨以及后來(lái)石墨烯的研究，從2007年開展超級(jí)電容器的研究。

問(wèn)題2：請(qǐng)介紹一下您的課題組在超級(jí)電容器領(lǐng)域取得的主要成果？

回答：高效炭?jī)?chǔ)能材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及器件的組裝是研發(fā)下一代高能量密度超級(jí)電容器亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)難題。針對(duì)目前超級(jí)電容器炭電極材料的質(zhì)量/體積比容量不佳，尤其是在高負(fù)載量、大電流下容量迅速衰減的關(guān)鍵問(wèn)題，本課題組從材料微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，發(fā)展了多種炭致密體多維度空間構(gòu)筑策略，在二維炭表面構(gòu)筑空間儲(chǔ)能單元，層間構(gòu)筑多向離子遷移通道，內(nèi)部構(gòu)筑三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳儲(chǔ)能空間的高效利用。

問(wèn)題3：請(qǐng)您簡(jiǎn)單回顧一下超級(jí)電容器領(lǐng)域最近幾年的里程碑進(jìn)展？

回答：在研究方面，二維結(jié)構(gòu)石墨烯的出現(xiàn)為碳電極材料的設(shè)計(jì)提供新的思路和借鑒意義，其本身具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)儲(chǔ)能本質(zhì)上依賴于二維固體表面而不是微孔，實(shí)現(xiàn)了電極內(nèi)離子/電子快速輸運(yùn)和高功率輸出。在應(yīng)用方面，我國(guó)陸續(xù)研制出快速充電的超級(jí)電容儲(chǔ)能公交電車，并在多個(gè)城市試點(diǎn)運(yùn)行。

問(wèn)題4：目前我國(guó)超級(jí)電容器研究在國(guó)際上處于什么水平？

回答：目前我國(guó)在超級(jí)電容器電極材料的設(shè)計(jì)開發(fā)方面取得了較大進(jìn)展，但我們?nèi)匀恍枰J(rèn)識(shí)到我們?cè)诶碚撛紕?chuàng)新方面略顯不足。此外基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化結(jié)合不夠緊密，對(duì)實(shí)際應(yīng)用的指導(dǎo)和產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)仍然不足，需要進(jìn)一步努力。

問(wèn)題5：在中美貿(mào)易摩擦的背景下，超級(jí)電容器領(lǐng)域有迫切需要突破的被卡脖子技術(shù)嗎？

回答：盡管我國(guó)在超級(jí)電容器生產(chǎn)和應(yīng)用方面走在世界前面，但也應(yīng)該深刻認(rèn)識(shí)到材料的關(guān)鍵核心技術(shù)仍被國(guó)外企業(yè)所壟斷，多數(shù)高端活性炭、導(dǎo)電炭黑、粘結(jié)劑、隔膜仍然需要從歐美國(guó)家、日本、韓國(guó)等地大量進(jìn)口。

問(wèn)題6：超級(jí)電容器在哪些方面獲得了實(shí)際應(yīng)用？回答：目前超級(jí)電容器在國(guó)防軍工、城市交通、輕軌列車、風(fēng)電儲(chǔ)能、大功率備用電源等領(lǐng)域已經(jīng)得到了應(yīng)用。例如寧波中車集團(tuán)推出超級(jí)電容儲(chǔ)能式有軌、無(wú)軌電車，研制出60000 F電池型電容，能量密度可達(dá)40 Wh·kg-1，充電僅需6-8 min續(xù)航20 km以上，已經(jīng)在廣州、寧波、深圳、武漢、淮安等地投放運(yùn)行。2011年Maxwell公司推出了超級(jí)電容器發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)模塊，專門用于重型柴油機(jī)卡車的發(fā)動(dòng)機(jī)電源，以及在叉車、港口起重設(shè)備和礦業(yè)設(shè)備上也取得了一定應(yīng)用。

超級(jí)電容器的獨(dú)特快速充放電能力還將在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車制動(dòng)能量回收領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，即在車輛剎車制動(dòng)時(shí)通過(guò)超級(jí)電容器將車輛強(qiáng)大的動(dòng)能快速轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行儲(chǔ)存，并在車輛再次啟動(dòng)時(shí)作為推進(jìn)能源繼續(xù)使用。

問(wèn)題7：您可否預(yù)測(cè)一下超級(jí)電容器的發(fā)展趨勢(shì)？

回答：我個(gè)人認(rèn)為超級(jí)電容器的發(fā)展趨勢(shì)主要集中以下三個(gè)方面：1、隨著科技的快速發(fā)展，儲(chǔ)能模塊的高效化、輕量化和小型化發(fā)展是不變的主題，這就對(duì)材料儲(chǔ)能空間的高效利用的設(shè)計(jì)提出了更高要求。2、超級(jí)電容器的最大優(yōu)點(diǎn)是高功率密度，但其能量密度不佳。目前旨在提高電容器能量密度的工作如使用贗電容材料、使用氧化還原電解液、設(shè)計(jì)非對(duì)稱器件等往往會(huì)犧牲其功率特性，從而喪失了超級(jí)電容器的本質(zhì)屬性。因此，如何保持其快速充放電能力的前提下有效提高其質(zhì)量/體積能量密度是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。3、超級(jí)電容器的功能化集成將在柔性儲(chǔ)能、可穿戴器件、微納器件等方面展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛質(zhì)。

問(wèn)題8：您對(duì)準(zhǔn)備從事超級(jí)電容器研究的青年學(xué)者有何建議？

回答：青年學(xué)者要有科研激情，大膽突破傳統(tǒng)認(rèn)知，刻苦鉆研的精神，瞄準(zhǔn)領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行深入思考并為之奮斗，同時(shí)加強(qiáng)交叉學(xué)科之間的相互合作。另一方面，需要青年學(xué)者走出去，多參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議拓寬思路和視野，多到企業(yè)和應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)看看，真正了解材料和器件在使用過(guò)程中存在的實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)一步推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合，為超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供年輕智慧和力量。