科學家們知道，使用超級電容器與電池結合，可以大大提高混合動力電動汽車（HEV：hybrid electric vehicles）的燃油經(jīng)濟性，這是因為，事實上，超級電容器可以充電，供電比電池快得多。例如，這種性能使超級電容器可以在急剎車時恢復所有的能量，而電池只會在摩擦制動中浪費能量，因為它無法迅速獲取能量。
柔性固態(tài)超級電容器具有兩種類型，其中一種超級電容器可以彎曲90度以上。來源：明尼蘇達大學
“電池不能迅速獲取或供應能量，”美國明尼蘇達大學（University of Minnesota）機械工程教授拉杰什•拉加曼尼（Rajesh Rajamani）說。“當車輛迅速制動時，必須使用摩擦制動，以補充電磁制動，因為電磁制動器不能給電池快速充電，車輛減速也不能像司機希望的那樣快。不同于電池，超級電容器可以非常迅速地獲取和供應能量。”
然而，研究人員面對的最大挑戰(zhàn)是，要把超級電容器安裝在混合動力電動汽車上，就要在引擎蓋下找到適當?shù)目臻g，放置這個笨重的設備。超級電容器很笨重，部分原因是，它們經(jīng)常使用危險的液體電解質(zhì)，必須密封和安置，這些防護材料就增加了設備的重量和體積。
為了避免這個問題，拉加曼尼和他的同事，就是明尼蘇達州大學的胡山（Shan Hu）以及北德克薩斯州大學（University of North Texas）的余迅（Xun Yu）設計了一種超級電容器，它完全是固態(tài)，包含固態(tài)電解質(zhì)，不需要笨重的防護材料。這種新的超級電容器性能可媲美商用超級電容器，但是又足夠薄，也足夠柔韌，幾乎可以在混合動力汽車上隨處安裝，甚至可以安裝在車體內(nèi)表面。研究人員發(fā)表了他們的研究，探討柔性固態(tài)超級電容器，就在3月7日的《應用物理快報》（Applied Physics Letters）上，題為《柔性固態(tài)紙基碳納米管超級電容器》（Flexible solid-state paper based carbon nanotube supercapacitor）。
“今天市場上的混合動力車沒有超級電容器，”拉加曼尼說。“幾個研究小組一直在研究使用超級電容器，與電池一起用于混合動力電動汽車，以提供更好的燃油經(jīng)濟性，以及更快的車輛響應。我們的研究帶來了一種新的超級電容器，它是柔韌的，也是固態(tài)的，不需要在引擎蓋下或行李箱中找地方安裝。”
這種新的固態(tài)超級電容器包含單壁碳納米管涂層的棉紙，這是用作電極，而固體聚合物是用作電解質(zhì)。制作電極時，研究人員是使用棉紙，這種棉紙通常用于化妝品面膜，因為它重量更輕，吸水性勝過打印紙。把棉紙切割成所需的形狀后，研究人員把這種棉紙反復浸入酸處理碳納米管溶液中，這些納米管會有力地鍵合到棉紙上。
制作電解質(zhì)時，研究人員混合一種聚合物溶液，進行加熱，這種溶液最初看起來像一種透明的膠狀凝膠。把成品電極浸入這種凝膠，使電極面對面排列，讓一切都干燥，這樣，多余的水分會蒸發(fā)，電解質(zhì)就會凝固。
“我們的研究，最大意義是制成了一種柔性的固態(tài)超級電容器，”拉加曼尼說。“其他研究人員以前也使用碳納米管，用作超級電容器的電極。然而，他們的超級電容器也使用液體電解質(zhì)，因此，既不完全是固態(tài)的，也不是柔性的。”
在測試中，這些超級電容器充電可以超過3伏，這就有利于實現(xiàn)高能量密度，或使用給定的體積存儲更多的能量。這種超級電容器的其他規(guī)格，比電容是每克13.15法拉g，單位能量是每千克5.54瓦時，非常類似商用超級電容器的值。另外，它的柔韌性使它很容易彎曲，放進狹小的空間，這使它很管用，可用于便攜式電子產(chǎn)品，以及混合動力車。
這種新的超級電容器的最大缺點是高電阻，這會降低整體功率密度，因此，也會降低充電速度。研究人員認為，這種高電阻源自紙質(zhì)碳納米管電極，這種電極的電阻高于金屬電極。然而，他們預測，給棉紙涂上更高密度的碳納米管溶液，可以降低電阻，他們計劃，在未來更多地研究這個問題。
