左图：碳纳米管 (CNT) 和聚苯胺 (PANI) 复合材料的示意图。图中显示，共价键合的聚苯胺 (PANI) 均匀分布在碳纳米管 (CNT) 之间，每个聚苯胺 (PANI) 都可以充当纳米级电池。（右图：基于这些特性制备的复合纤维同时展现出优异的功率和能量密度，超越了一般超级电容器的性能。（*KIST1 为仅按聚苯胺重量计算的数值，KIST2 为按纤维重量计算的数值。）图片来源：韩国科学技术研究院 (KIST)
开发同时实现高功率和高容量的下一代储能技术
由韩国科学技术研究院（KIST）碳复合材料研究中心的Ku Bon-Cheol博士和Kim Seo Gyun博士以及首尔国立大学（SNU）的Piao Yuanzhe教授领导的研究团队开发出了一种高性能超级电容器，有望成为下一代储能设备。研究人员开发的技术利用由单壁碳纳米管（CNT）和导电聚合物聚苯胺（PANI）组成的创新纤维结构，克服了现有超级电容器的局限性。
与传统电池相比，超级电容器充电速度更快、功率密度更高，并且在数万次充放电循环中性能衰减较小。然而，超级电容器相对较低的能量密度限制了其长期使用，这限制了其在电动汽车和无人机等实际应用中的使用。
为了探索复合纤维电容器的商业化潜力，研究人员引入了一种量产工艺。通过量产工艺，研究人员生产了从单股纤维到300股纤维的纤维束。结果表明，由于聚苯胺（PANI）在内部充当了纳米电池的作用，比电容保持良好，没有下降。图片来源：韩国科学技术研究院 (KIST)。
为了解决这个问题，研究人员将高导电性的单壁碳纳米管（CNT）与易于加工且价格低廉的聚苯胺（PANI）在纳米尺度上均匀地化学键合在一起。这形成了一种复杂的纤维结构，可以同时增强电子和离子的流动，从而形成一种能够储存更多能量并以更快速度释放能量的超级电容器。
经验证，所研发的超级电容器即使在超过10万次充放电测试后仍能保持稳定的性能，并且在高压环境下也经久耐用。凭借这些特性，该技术可以替代或补充现有的电池系统。例如，在电动汽车中，它可以通过快速充电提供高效的电力输送，从而提升续航里程和性能。无人机和机器人等其他应用也可以受益于更长的运行时间和更高的可靠性。此外，所研发的复合纤维（CNT-PANI）具有较高的机械柔韧性，因此可以卷曲和折叠，从而应用于可穿戴设备等下一代电子设备。
聚苯胺 (PANI) 复合纤维制造工艺示意图：（从左到右）形成基于碳纳米管的液晶相，将其纺成凝固浴，固化，然后拉伸。最终得到的纤维具有聚苯胺均匀分布的结构。图片来源：韩国科学技术研究院 (KIST)
这项研究的另一项重大成果是降低了生产成本并实现了量产。单壁碳纳米管（CNT）尽管性能优异，但由于生产成本高昂，一直难以实现商业化。研究人员通过将其与低成本的导电聚合物聚苯胺（PANI）复合，解决了这一难题。此外，他们通过简单的工艺奠定了量产的基础，最近又成功开发出基于该技术的薄膜状结构，进一步推进了商业化进程。未来，该技术将作为实现向碳中和社会转型的关键赋能技术，应用于电动汽车、机器人、无人机、可穿戴设备等各行各业。
韩国科学技术研究院的顾本哲博士表示：“这项技术利用单壁碳纳米管和导电聚合物克服了超级电容器的缺点。我们将继续开发并实现基于碳纳米管的超高性能碳纤维的产业化。”
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来源 ：韩国科学技术研究院 (KIST) 成立于 1966 年，是韩国第一家政府资助的研究机构。目前，KIST 致力于通过领先的创新研究，解决国家和社会挑战，并确保增长引擎。欲了解更多信息，请访问 KIST 网站：https://www.kist.re.kr/eng/index.do
本研究由科学技术信息通信部（部长官刘相任）通过韩国科学技术信息通信部机构计划、区域创新领先技术开发项目（RS-2019-NR040066）、学术研究平台建设试点项目（RS-2023-00304729）以及产业通商资源部（部长官安德根）通过材料部件技术开发项目（RS-2023-00258521）资助。研究成果发表在最新一期的国际期刊《复合材料B部分：工程》（IF: 12.7, JCR: 0.3%）上，并已申请韩国国内及美国专利。
原始出版物
作者： Dongju Lee、Junghwan Kim、Chae Won Kim、Jeong-Gil Kim、Se Eun Jung、So Jeong Heo、Byeong Woo Im、Nam Dong Kim、Seo Gyun Kim、Yuanzhe Piao 和 Bon-Cheol Ku。
期刊： Composites
DOI： 10.1016/j.compositesb.2025.112179
文章标题：用于超高能量和功率密度超级电容器的纳米细胞结构碳纳米管复合纤维
文章发布日期： 2025年4月15日
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