马衍伟小组：超级电容让新能源更好更强大

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马衍伟小组：超级电容让新能源更好更强大
二氧化锰纳米球储能材料有望大规模生产


近日，在国家自然科学基金、中国科学院“百人计划”的支持下，中科院电工所研究员马衍伟带领的课题组发现了一种可以在较低的反应温度下制备出二氧化锰海胆状微米空心球、纳米团簇、线团状纳米球结构的新方法。该课题组同时对制备产物的形成机理和电化学性能进行了详细研究。结果显示，该方法制备的二氧化锰颗粒大小均匀，形貌可控。

“该制备工艺具有过程简单、合成时间短、反应温度低，样品结晶性好，无需表面活性剂，可大规模生产等优点。”马衍伟说，“这就为纳米储能材料的制备提供了一条简单、有效而且可调的新方法。同时也表明，我们在超级电容器储能材料合成研究方面取得了重要进展。”

崭露头角的新型储能器件

超级电容器（supercapacitor）又称超大容量电容器、金电容、黄金电容、储能电容，是介于电容器和电池之间的储能器件。它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电化学电池的储能机理。

马衍伟说：“之所以在名字里加上super（超级），就是因为这种电容器能量密度和功率密度都非常高。同传统的电容器和二次电池相比，超级电容器储存电荷的能力强，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。”

这些特点让超级电容器与氢动力汽车、混合动力汽车和电动汽车的发展密切相关，与燃料电池、锂离子电池等能量供给器件相结合，能够满足车辆启动、爬坡等条件下的瞬时高功率需求，又可延长电池的循环使用寿命，实现电动车动力系统性能的最优化。

随着社会经济的快速发展，资源和能源日渐短缺，生态环境日益恶化，人类将更加依赖于太阳能、风能或者燃料电池等清洁和可再生的新能源。但是，这些能量来源本身的特性决定了这些发电的方式和电能输出往往具有不稳定性，而超级电容器不仅能起到功率调节作用，而且还可作为太阳能电池和风力发电的储能系统，白天储存太阳能电池和风力发电产生的电能，夜间提供照明等所需的能量。

此外，超级电容器在高功率脉冲电源、计算机后备电源和军事、航天等诸多领域也具有广泛的应用前景。

作为本世纪重点发展的新型储能产品之一，超级电容器正在为越来越多的国家和企业争相研制和生产。

而美国、日本等国家凭借多年的研究开发和技术积累，在超级电容器的研究和产业化方面，特别是高比功率和高比能量的超级电容器方面处于领先地位。

期待具有自主知识产权的产品

虽然超级电容器的原理并不新颖，我国的一些科研机构和公司也开始积极涉足这一产业，并已经具备了一定的技术实力和产业化能力。但是，我国在超级电容器的核心部分——高性能电极材料的生产上一直存在瓶颈。

马衍伟指出，电极材料是超级电容器的重要组成部分，是影响超级电容器性能和生产成本的关键因素，因此研究开发高性能、低成本的电极材料是超级电容器研究开发工作的重要内容。

马衍伟告诉记者，为了解决上述问题，超级电容器已经被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2005-2020年），成为国家长期发展的能源领域中重要的前沿技术之一。

中科院电工研究所在超级电容器应用开发特别是系统集成方面也具有很好的研究基础，做了许多开创性工作。早在2002年，该所研究员齐智平课题组就承担了科技部“863”能源领域前沿研究项目“超级电容器电力储能系统关键技术研究”，并且与企业有密切的合作。

而马衍伟课题组的工作是希望能够获得超级电容器的核心部分——高质量电极材料。

碳材料是当前研究和应用最为广泛的超级电容器电极材料，它主要包括活性炭、活性炭纤维、碳纳米管和石墨烯等。其中，活性炭材料由于具有稳定的使用寿命、低廉的价格及大规模的工业化生产基础，在目前的超级电容器商品中被广泛采用。

但是，活性炭材料比较容易被氧化，导致碳基超级电容器内阻较大，高频特性差，而且活性炭材料的导电性较差。诸多缺陷让它很难满足电动汽车等对超级电容器高能量、高功率密度的迫切需求。这就需要科研人员找到更合适的新材料。

马衍伟课题组把目光投向了金属氧化物。

他们首先研究的是氧化钌。氧化钌作为一种贵金属氧化物具有比容量高、导电性好（比碳材料大两个数量级）以及在电解液中非常稳定等优点，是目前性能最为优良的超级电容器电极材料，美国已将其应用于航空航天、军事等重要领域。

但是钌资源有限，价格十分昂贵，无法普及应用。

为了进一步提高性能，降低成本，必须寻找到其他价格较为低廉的金属氧化物电极材料。

马衍伟课题组在前人研究的基础上选择二氧化锰作为研究的重点。

“二氧化锰类材料，具有价格低廉、对环境友好以及电化学工作窗口宽的显著优点，更重要的是，二氧化锰基超级电容器可采用中性电解质溶液（如Na2SO4、KCl的水溶液等），而不像其他金属氧化物或碳基超级电容器必须采用强酸强碱电解质，这使二氧化锰基超级电容器的组装及使用更安全、更方便。”马衍伟说。

马衍伟课题组很快突破了常规制备二氧化锰空心球微米材料的技术，在无需催化剂有效降低成本的基础上通过加入高价离子（Fe3+、Al3+），实现了制备产物的形貌可控。这为超级电容器新型纳米储能材料的制备提供了一条简单、有效而且可调的新方法，课题组同时也申请了国家专利。

“但二氧化锰属于半导体材料，导电性差，与贵金属氧化物相比，二氧化锰材料的比电容要偏低。此外，锰的可变化合价多，锰的氧化物结构不稳定，在充放电循环过程中更为突出。因此，如果能有效地克服二氧化锰电极材料存在的问题，其发展前景将是非常光明的。”马衍伟说，“当然，这也是我们下一步研究中需要完善的地方。”

《科学时报》 (2009-2-2 A4 科学基金)

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