超级电容器研究展望—范壮军教授专访

《物理化学学报》编辑部

北京大学化学与分子工程学院，北京 100871

超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的储能装置，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。但与传统电容器相比，超级电容器具有更大的比电容、更高的能量密度、更长的使用寿命等特点，而与电池相比，超级电容器又具有更高的功率密度、长寿命及绿色环保等优点。

国家把超级电容器关键材料及其器件设计列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》和《国家“十一五”科学技术发展规划》。

我们有幸采访了超级电容器大咖，《物理化学学报》“超级电容器”特刊的客座编辑范壮军教授，为我们分享他对超级电容器的真知灼见。

问题1：范教授，在您的科研生涯中从事过哪些方面的研究？您从什么时候开始从事超级电容器方面的研究？

回答：我开展碳材料的研究已经有22年了，期间先后从事高比表面积活性炭、高导热石墨、碳纳米管、膨胀石墨以及后来石墨烯的研究，从2007年开展超级电容器的研究。

问题2：请介绍一下您的课题组在超级电容器领域取得的主要成果？

回答：高效炭储能材料的结构设计及器件的组装是研发下一代高能量密度超级电容器亟需解决的关键科学难题。针对目前超级电容器炭电极材料的质量/体积比容量不佳，尤其是在高负载量、大电流下容量迅速衰减的关键问题，本课题组从材料微纳结构设计角度出发，发展了多种炭致密体多维度空间构筑策略，在二维炭表面构筑空间储能单元，层间构筑多向离子迁移通道，内部构筑三维导电网络，进而实现碳储能空间的高效利用。

问题3：请您简单回顾一下超级电容器领域最近几年的里程碑进展？

回答：在研究方面，二维结构石墨烯的出现为碳电极材料的设计提供新的思路和借鉴意义，其本身具有优良的导电性和机械强度，同时储能本质上依赖于二维固体表面而不是微孔，实现了电极内离子/电子快速输运和高功率输出。在应用方面，我国陆续研制出快速充电的超级电容储能公交电车，并在多个城市试点运行。

问题4：目前我国超级电容器研究在国际上处于什么水平？

回答：目前我国在超级电容器电极材料的设计开发方面取得了较大进展，但我们仍然需要认识到我们在理论原始创新方面略显不足。此外基础研究与产业化结合不够紧密，对实际应用的指导和产业贡献仍然不足，需要进一步努力。

问题5：在中美贸易摩擦的背景下，超级电容器领域有迫切需要突破的被卡脖子技术吗？

回答：尽管我国在超级电容器生产和应用方面走在世界前面，但也应该深刻认识到材料的关键核心技术仍被国外企业所垄断，多数高端活性炭、导电炭黑、粘结剂、隔膜仍然需要从欧美国家、日本、韩国等地大量进口。

问题6：超级电容器在哪些方面获得了实际应用？回答：目前超级电容器在国防军工、城市交通、轻轨列车、风电储能、大功率备用电源等领域已经得到了应用。例如宁波中车集团推出超级电容储能式有轨、无轨电车，研制出60000 F电池型电容，能量密度可达40 Wh·kg-1，充电仅需6-8 min续航20 km以上，已经在广州、宁波、深圳、武汉、淮安等地投放运行。2011年Maxwell公司推出了超级电容器发动机启动模块，专门用于重型柴油机卡车的发动机电源，以及在叉车、港口起重设备和矿业设备上也取得了一定应用。

超级电容器的独特快速充放电能力还将在电动汽车和混合动力汽车制动能量回收领域有广泛的应用，即在车辆刹车制动时通过超级电容器将车辆强大的动能快速转化为电能进行储存，并在车辆再次启动时作为推进能源继续使用。

问题7：您可否预测一下超级电容器的发展趋势？

回答：我个人认为超级电容器的发展趋势主要集中以下三个方面：1、随着科技的快速发展，储能模块的高效化、轻量化和小型化发展是不变的主题，这就对材料储能空间的高效利用的设计提出了更高要求。2、超级电容器的最大优点是高功率密度，但其能量密度不佳。目前旨在提高电容器能量密度的工作如使用赝电容材料、使用氧化还原电解液、设计非对称器件等往往会牺牲其功率特性，从而丧失了超级电容器的本质属性。因此，如何保持其快速充放电能力的前提下有效提高其质量/体积能量密度是未来发展的趋势。3、超级电容器的功能化集成将在柔性储能、可穿戴器件、微纳器件等方面展现出极大的应用潜质。

问题8：您对准备从事超级电容器研究的青年学者有何建议？

回答：青年学者要有科研激情，大胆突破传统认知，刻苦钻研的精神，瞄准领域关键科学问题进行深入思考并为之奋斗，同时加强交叉学科之间的相互合作。另一方面，需要青年学者走出去，多参加国际学术会议拓宽思路和视野，多到企业和应用现场看看，真正了解材料和器件在使用过程中存在的实际问题，进一步推进产学研紧密结合，为超级电容器产业的发展提供年轻智慧和力量。