由韓國(guó)科技部下屬的政府資助研究機(jī)構(gòu)韓國(guó)材料科學(xué)研究所（Korea Institute of Materials Science,KIMS）復(fù)合材料研究部功能復(fù)合材料系的Kim Tae-hoon博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，與仁和大學(xué)Yang Seung-Jae教授的研究團(tuán)隊(duì)合作，成功開發(fā)出世界上第一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)能能力和高強(qiáng)度的多功能碳納米管纖維。

現(xiàn)有的大多數(shù)儲(chǔ)能和結(jié)構(gòu)材料只有一個(gè)特性，或者具有高強(qiáng)度或者具有高儲(chǔ)能能力。兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的材料使用了輕、強(qiáng)、導(dǎo)電性好的碳納米管纖維，同時(shí)獲得了上述兩種特性。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)碳納米管纖維進(jìn)行表面處理，并通過(guò)誘導(dǎo)多孔碳的生長(zhǎng)制備了高強(qiáng)度纖維型超級(jí)電容器（超級(jí)電容器是一種儲(chǔ)能裝置，其存儲(chǔ)容量比鋰二次電池小，但充電/放電速度比其他電池快得多）。這使得合成具有儲(chǔ)能特性的新纖維材料成為可能，同時(shí)保持了碳納米管纖維的強(qiáng)度。研究人員證實(shí)，這種纖維型超級(jí)電容器可以在支撐重物的同時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。

基于現(xiàn)有技術(shù)需要一種單獨(dú)的材料來(lái)支撐電池和負(fù)載，但新開發(fā)的材料可以成功地同時(shí)發(fā)揮這兩種作用，這對(duì)于為輕量化材料的發(fā)展指明一個(gè)新方向。特別是，多功能碳納米管纖維技術(shù)有望用于電動(dòng)汽車、無(wú)人機(jī)和航空航天等需要減重的領(lǐng)域。該研究得到了KIMS能源生產(chǎn)和儲(chǔ)存材料融合性能紡織材料技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目和韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院4U復(fù)合材料開發(fā)項(xiàng)目的支持，該項(xiàng)目得到了韓國(guó)科技部的支持。此外，這項(xiàng)研究于1月5日發(fā)表在Science旗下期刊《Science Advances》上。

研究背景

現(xiàn)有的鋰二次電池，即儲(chǔ)能裝置本身，不能單獨(dú)承受機(jī)械負(fù)荷。另一方面，包括鋼和鋁在內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料很堅(jiān)固，它們當(dāng)然不能儲(chǔ)存能量。如果一種材料既具有儲(chǔ)能能力，又具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能，那么它就可以成為車輛和無(wú)人機(jī)的外殼，來(lái)取代現(xiàn)有的電池，從而減輕重量，增加行駛距離。為此，需要一種輕質(zhì)、具有優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度和良好導(dǎo)電性的新材料來(lái)制造電池。唯一用于此目的的材料是碳納米管纖維。

技術(shù)特征

研究團(tuán)隊(duì)合成了具有優(yōu)異導(dǎo)電性和拉伸強(qiáng)度的碳納米管纖維，并誘導(dǎo)多孔碳的生長(zhǎng)以儲(chǔ)存能量。此外，它們還增加了碳納米管纖維的強(qiáng)度，并進(jìn)行了表面處理，使多孔碳能夠牢固地附著在纖維上，而不會(huì)從纖維上脫落。最終，成功地合成了一種多功能碳納米管纖維，這種纖維可以儲(chǔ)存能量，同時(shí)保持原有碳納米管纖維的強(qiáng)度和導(dǎo)電性。

而使用多功能碳納米管纖維的纖維型超級(jí)電容器具有優(yōu)異的機(jī)械性能和儲(chǔ)能性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)纖維型超級(jí)電容器。此外，纖維型超級(jí)電容器看起來(lái)像一根細(xì)線，在承受10千克重量的同時(shí)，能夠穩(wěn)定地充放電。

這項(xiàng)研究表明，利用碳納米管纖維可以制造出具有結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)能性能的超級(jí)電容器纖維的新概念。基于碳納米管纖維制造和應(yīng)用技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)行后續(xù)研究，將研究結(jié)果應(yīng)用于電磁波屏蔽、復(fù)合材料和二次電池。

據(jù)悉，雖然韓國(guó)在碳納米管纖維研發(fā)方面處于世界領(lǐng)先地位，但韓國(guó)國(guó)內(nèi)還沒有一家公司生產(chǎn)出大量的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。美國(guó)亨斯邁是目前唯一一家將碳納米管纖維用于大規(guī)模生產(chǎn)的公司，該公司生產(chǎn)的CNT纖維僅供應(yīng)給NASA和美國(guó)國(guó)防部，因此在私人市場(chǎng)上無(wú)法獲得。