左圖：碳納米管 (CNT) 和聚苯胺 (PANI) 復(fù)合材料的示意圖。圖中顯示，共價鍵合的聚苯胺均勻分布在碳納米管之間，每個聚苯胺均可充當(dāng)納米級電池。（右圖：基于這些特性制備的復(fù)合纖維同時展現(xiàn)出優(yōu)異的功率和能量密度，超越了一般超級電容器的性能。*KIST1 為僅按聚苯胺重量計算的數(shù)值，KIST2 為按纖維重量計算的數(shù)值。）圖片來源：韓國科學(xué)技術(shù)研究院 (KIST)

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，研究人員將以高導(dǎo)電性著稱的單壁碳納米管 (CNT) 與低成本且易于加工的導(dǎo)電聚合物聚苯胺 (PANI) 進(jìn)行化學(xué)鍵合。通過在納米尺度上結(jié)合這些材料，他們創(chuàng)造了一種復(fù)雜的纖維結(jié)構(gòu)，從而改善了電子和離子的運動。這使得超級電容器能夠存儲更多能量并更快地釋放能量。

為了探究復(fù)合纖維電容器的商業(yè)化潛力，研究人員引入了一種量產(chǎn)工藝。通過該工藝，研究人員生產(chǎn)了從單股纖維到300股纖維的纖維束。結(jié)果表明，由于聚苯胺（PANI）在內(nèi)部充當(dāng)了納米電池的作用，比電容保持良好，沒有下降。圖片來源：韓國科學(xué)技術(shù)研究院 (KIST)

新型超級電容器已在超過10萬次充放電循環(huán)中展現(xiàn)出穩(wěn)定的性能，即使在高壓環(huán)境下也能保持高效。憑借其卓越的耐用性和效率，該技術(shù)可以替代或增強現(xiàn)有的電池系統(tǒng)。在電動汽車領(lǐng)域，它能夠提供快速充電能力，從而提升續(xù)航里程和性能。

無人機(jī)和機(jī)器人也可能受益于更長的運行時間和更高的可靠性。此外，CNT-PANI 復(fù)合纖維具有高度的柔韌性，可以卷起或折疊，從而用于可穿戴設(shè)備等下一代電子產(chǎn)品。

該研究的另一項重大成果是降低了生產(chǎn)成本并實現(xiàn)了量產(chǎn)。單壁碳納米管（CNT）盡管性能優(yōu)異，但由于生產(chǎn)成本高昂，一直難以實現(xiàn)商業(yè)化，但研究人員通過將其與低成本的導(dǎo)電聚合物聚苯胺（PANI）復(fù)合解決了這一難題。

聚苯胺復(fù)合纖維制造工藝示意圖：（從左到右）形成基于碳納米管的液晶相，將其紡入凝固浴中，固化，然后拉伸。最終得到的纖維具有聚苯胺均勻分布的結(jié)構(gòu)。圖片來源：韓國科學(xué)技術(shù)研究院 (KIST)

此外，他們通過簡便的工藝奠定了量產(chǎn)基礎(chǔ)，最近成功開發(fā)出基于該技術(shù)的薄膜狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步推進(jìn)了其商業(yè)化進(jìn)程。未來，該技術(shù)將作為邁向碳中和社會的關(guān)鍵賦能技術(shù)，廣泛應(yīng)用于電動汽車、機(jī)器人、無人機(jī)、可穿戴設(shè)備等各行各業(yè)。

韓國科學(xué)技術(shù)研究院的顧本哲博士表示：“這項技術(shù)利用單壁碳納米管和導(dǎo)電聚合物克服了超級電容器的缺點。我們將繼續(xù)開發(fā)并實現(xiàn)基于碳納米管的超高性能碳纖維的產(chǎn)業(yè)化�！�