“該制備工藝具有過(guò)程簡(jiǎn)單、合成時(shí)間短、反應(yīng)溫度低，樣品結(jié)晶性好，無(wú)需表面活性劑，可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。”馬衍偉說(shuō)，“這就為納米儲(chǔ)能材料的制備提供了一條簡(jiǎn)單、有效而且可調(diào)的新方法。同時(shí)也表明，我們?cè)诔?jí)電容器儲(chǔ)能材料合成研究方面取得了重要進(jìn)展。”
嶄露頭角的新型儲(chǔ)能器件
超級(jí)電容器（supercapacitor）又稱(chēng)超大容量電容器、金電容、黃金電容、儲(chǔ)能電容，是介于電容器和電池之間的儲(chǔ)能器件。它既具有電容器可以快速充放電的特點(diǎn)，又具有電化學(xué)電池的儲(chǔ)能機(jī)理。
馬衍偉說(shuō)：“之所以在名字里加上super（超級(jí)），就是因?yàn)檫@種電容器能量密度和功率密度都非常高。同傳統(tǒng)的電容器和二次電池相比，超級(jí)電容器儲(chǔ)存電荷的能力強(qiáng)，并具有充放電速度快、效率高、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、循環(huán)壽命長(zhǎng)、使用溫度范圍寬、安全性高等特點(diǎn)。”
這些特點(diǎn)讓超級(jí)電容器與氫動(dòng)力汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展密切相關(guān)，與燃料電池、鋰離子電池等能量供給器件相結(jié)合，能夠滿足車(chē)輛啟動(dòng)、爬坡等條件下的瞬時(shí)高功率需求，又可延長(zhǎng)電池的循環(huán)使用壽命，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，資源和能源日漸短缺，生態(tài)環(huán)境日益惡化，人類(lèi)將更加依賴(lài)于太陽(yáng)能、風(fēng)能或者燃料電池等清潔和可再生的新能源。但是，這些能量來(lái)源本身的特性決定了這些發(fā)電的方式和電能輸出往往具有不穩(wěn)定性，而超級(jí)電容器不僅能起到功率調(diào)節(jié)作用，而且還可作為太陽(yáng)能電池和風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)能系統(tǒng)，白天儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池和風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能，夜間提供照明等所需的能量。
此外，超級(jí)電容器在高功率脈沖電源、計(jì)算機(jī)后備電源和軍事、航天等諸多領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。
作為本世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的新型儲(chǔ)能產(chǎn)品之一，超級(jí)電容器正在為越來(lái)越多的國(guó)家和企業(yè)爭(zhēng)相研制和生產(chǎn)。
而美國(guó)、日本等國(guó)家憑借多年的研究開(kāi)發(fā)和技術(shù)積累，在超級(jí)電容器的研究和產(chǎn)業(yè)化方面，特別是高比功率和高比能量的超級(jí)電容器方面處于領(lǐng)先地位。
期待具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品
雖然超級(jí)電容器的原理并不新穎，我國(guó)的一些科研機(jī)構(gòu)和公司也開(kāi)始積極涉足這一產(chǎn)業(yè)，并已經(jīng)具備了一定的技術(shù)實(shí)力和產(chǎn)業(yè)化能力。但是，我國(guó)在超級(jí)電容器的核心部分——高性能電極材料的生產(chǎn)上一直存在瓶頸。
馬衍偉指出，電極材料是超級(jí)電容器的重要組成部分，是影響超級(jí)電容器性能和生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素，因此研究開(kāi)發(fā)高性能、低成本的電極材料是超級(jí)電容器研究開(kāi)發(fā)工作的重要內(nèi)容。
馬衍偉告訴記者，為了解決上述問(wèn)題，超級(jí)電容器已經(jīng)被列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》（2005-2020年），成為國(guó)家長(zhǎng)期發(fā)展的能源領(lǐng)域中重要的前沿技術(shù)之一。
中科院電工研究所在超級(jí)電容器應(yīng)用開(kāi)發(fā)特別是系統(tǒng)集成方面也具有很好的研究基礎(chǔ)，做了許多開(kāi)創(chuàng)性工作。早在2002年，該所研究員齊智平課題組就承擔(dān)了科技部“863”能源領(lǐng)域前沿研究項(xiàng)目“超級(jí)電容器電力儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”，并且與企業(yè)有密切的合作。
而馬衍偉課題組的工作是希望能夠獲得超級(jí)電容器的核心部分——高質(zhì)量電極材料。
碳材料是當(dāng)前研究和應(yīng)用最為廣泛的超級(jí)電容器電極材料，它主要包括活性炭、活性炭纖維、碳納米管和石墨烯等。其中，活性炭材料由于具有穩(wěn)定的使用壽命、低廉的價(jià)格及大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)基礎(chǔ)，在目前的超級(jí)電容器商品中被廣泛采用。
但是，活性炭材料比較容易被氧化，導(dǎo)致碳基超級(jí)電容器內(nèi)阻較大，高頻特性差，而且活性炭材料的導(dǎo)電性較差。諸多缺陷讓它很難滿足電動(dòng)汽車(chē)等對(duì)超級(jí)電容器高能量、高功率密度的迫切需求。這就需要科研人員找到更合適的新材料。
馬衍偉課題組把目光投向了金屬氧化物。
他們首先研究的是氧化釕。氧化釕作為一種貴金屬氧化物具有比容量高、導(dǎo)電性好（比碳材料大兩個(gè)數(shù)量級(jí)）以及在電解液中非常穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是目前性能最為優(yōu)良的超級(jí)電容器電極材料，美國(guó)已將其應(yīng)用于航空航天、軍事等重要領(lǐng)域。
但是釕資源有限，價(jià)格十分昂貴，無(wú)法普及應(yīng)用。
為了進(jìn)一步提高性能，降低成本，必須尋找到其他價(jià)格較為低廉的金屬氧化物電極材料。
馬衍偉課題組在前人研究的基礎(chǔ)上選擇二氧化錳作為研究的重點(diǎn)。
“二氧化錳類(lèi)材料，具有價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境友好以及電化學(xué)工作窗口寬的顯著優(yōu)點(diǎn)，更重要的是，二氧化錳基超級(jí)電容器可采用中性電解質(zhì)溶液（如Na2SO4、KCl的水溶液等），而不像其他金屬氧化物或碳基超級(jí)電容器必須采用強(qiáng)酸強(qiáng)堿電解質(zhì)，這使二氧化錳基超級(jí)電容器的組裝及使用更安全、更方便。”馬衍偉說(shuō)。
馬衍偉課題組很快突破了常規(guī)制備二氧化錳空心球微米材料的技術(shù)，在無(wú)需催化劑有效降低成本的基礎(chǔ)上通過(guò)加入高價(jià)離子（Fe3+、Al3+），實(shí)現(xiàn)了制備產(chǎn)物的形貌可控。這為超級(jí)電容器新型納米儲(chǔ)能材料的制備提供了一條簡(jiǎn)單、有效而且可調(diào)的新方法，課題組同時(shí)也申請(qǐng)了國(guó)家專(zhuān)利。
“但二氧化錳屬于半導(dǎo)體材料，導(dǎo)電性差，與貴金屬氧化物相比，二氧化錳材料的比電容要偏低。此外，錳的可變化合價(jià)多，錳的氧化物結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在充放電循環(huán)過(guò)程中更為突出。因此，如果能有效地克服二氧化錳電極材料存在的問(wèn)題，其發(fā)展前景將是非常光明的。”馬衍偉說(shuō)，“當(dāng)然，這也是我們下一步研究中需要完善的地方。”
