在全球追求碳中和与可持续发展的浪潮下，能源结构转型已成为各国共识。太阳能、风能等可再生能源因其间歇性和不稳定性，大规模并网对电网的平稳运行提出了严峻挑战。储能技术，作为解决这一问题的关键，被誉为能源转型的“蓄水池”和“调节器”。它不仅能够平滑可再生能源的输出波动，提高电网的灵活性和可靠性，还能在电力需求侧管理、应急备用电源等多个领域发挥重要作用。当前，储能技术正以前所未有的速度发展，各种技术路线百花齐放，共同推动着全球能源体系的深刻变革。

　　储能技术种类繁多，根据能量储存形式可分为机械储能、电化学储能、热储能、化学储能和电磁储能等。目前，应用较为广泛且备受关注的主要有锂离子电池、液流电池以及超级电容器等。

　　锂离子电池凭借其较高的能量密度（约150-250 Wh/kg）和相对较长的循环寿命（500-1500次），已成为消费电子、电动汽车和电网级储能的主流技术之一（LithiumBatteryTech）。然而，锂离子电池也面临着一些挑战，如在极端工况下的安全性问题（热失控风险）、原材料（如锂、钴）的成本与供应波动、循环寿命在深度充放下的衰减，以及在大规模、长时储能应用中的经济性问题。特别是在电网级应用中，目前锂离子电池储能系统多为4小时或更短时长，对于更长周期的储能需求仍有局限。

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　　液流电池是一种通过电解液中活性物质的氧化还原反应来实现能量储存与释放的技术。其突出优点在于功率和容量可以独立设计，储能介质存储在外部储罐中，因此易于扩展储能容量，非常适合大规模、长时储能应用（美国能源部液流电池评估报告）。常见的液流电池体系包括全钒液流电池、锌基液流电池、铁铬液流电池等。尽管液流电池在循环寿命和安全性方面表现优异，但其能量密度相对较低（通常为20-50 Wh/L），且部分体系（如全钒液流电池）面临电解液成本较高、关键材料（如离子交换膜）性能有待提升等问题。

　　超级电容器（Supercapacitors, SCs），又称电化学电容器，介于传统电容器和电池之间，通过电极/电解液界面上的双电层电荷或快速的表面氧化还原反应来储存能量。其核心优势在于极高的功率密度、极快的充放电速率（秒级至毫秒级）以及超长的循环寿命（数十万次甚至百万次）。然而，传统超级电容器的能量密度较低（通常为5-10 Wh/kg），这限制了其在需要长时间供能场景下的应用。

　　与传统电池相比，超级电容器充电速度更快，功率密度更高，即使在数万次充电循环后，性能损失也最小。然而，它们较低的能量密度限制了它们的运行时间，这使得它们对于电动汽车和无人机等长期使用应用不太实用。

　　针对传统超级电容器能量密度不足的瓶颈，全球科研人员一直在探索新的材料和结构设计。近期，韩国科学技术研究院（KIST）碳复合材料研究中心的Bon-Cheol Ku博士和Seo Gyun Kim博士团队，联合首尔国立大学（SNU）的Yuanzhe Piao教授，在高性能超级电容器研究方面取得了重要突破。

　　研究人员通过设计一种结合了碳纳米管和导电聚合物的独特纳米级纤维结构，创造了下一代超级电容器。这项创新显著提高了储能性能，同时为更快、更耐用和更灵活的能源系统铺平了道路。

　　研究人员通过使用由单壁碳纳米管 （CNT） 和导电聚合物聚苯胺 （PANI） 制成的先进纤维结构解决了当前超级电容器的关键限制。

　　左）CNT 和 PANI 复合材料的示意图。它表明共价键合的 PANI 均匀分布在 CNT 之间，并且每个 PANI 都可以充当纳米级细胞。（右）基于这些特性制造的复合纤维同时显示出优异的功率和能量密度，超过了一般超级电容器的特性。（*KIST1 是仅根据 PANI 的重量计算的值，KIST2 是根据纤维的重量计算的值。图片来源：韩国科学技术研究院 （KIST）

　　研究人员将以高导电性而闻名的单壁碳纳米管 （CNT） 与聚苯胺 （PANI）（一种低成本且易于加工的导电聚合物）进行化学键合。通过在纳米尺度上结合这些材料，他们创造了一种复杂的纤维结构，从而改善了电子和离子的运动。这导致超级电容器能够存储更多能量并更快地释放能量。

　　为了了解复合光纤电容器的商业化潜力，引入了一种大规模制造工艺。通过大规模生产工艺生产了从单股纤维到 300 股纤维的光纤束，可以看出，由于 PANI 在内部充当纳米单元，因此比电容保持得很好，没有降低。图片来源：韩国科学技术研究院 （KIST）

　　新型超级电容器在超过 100,000 次充电和放电循环中表现出稳定的性能，即使在高压环境中仍然有效。由于其耐用性和效率，该技术可以作为当前电池系统的替代品或增强版。在电动汽车中，它可以提供快速充电功率，从而提高行驶里程和性能。

　　无人机和机器人也可能受益于更长的运行时间和更高的可靠性。此外，CNT-PANI 复合纤维具有高度柔韧性，可以卷制或折叠，用于可穿戴设备等下一代电子产品。

　　研究的另一项重大成就是降低了生产成本和实现了大规模生产的可能性。尽管单壁碳纳米管 （CNT） 性能优异，但由于生产成本高，一直难以商业化，但研究人员通过将它们与低成本导电聚合物聚苯胺 （PANI） 复合解决了这个问题。

　　PANI 制造复合纤维的整个过程示意图：（从左到右）在碳纳米管上形成液晶相，将其旋转到凝固浴中，使其固化并拉伸。最终得到的纤维具有 PANI 均匀分布的结构。图片来源：韩国科学技术研究院

　　此外，他们通过简单的工艺为大规模生产奠定了基础，最近还成功地开发了基于该技术的薄膜状结构，进一步推动了商业化。未来，它将成为电动汽车、机器人、无人机和可穿戴设备等各个行业向碳中和社会过渡的关键使能技术。

　　这项技术通过使用单壁碳纳米管和导电聚合物克服了超级电容器的缺点，研究团队将继续开发和工业化基于碳纳米管的超高性能碳纤维。

　　该研究发表在最新一期的国际期刊《复合材料 B 部分：工程》（IF：12.7，JCR：0.3%）上，并已提交国内和美国专利申请。

　　通过新材料和新结构设计，超级电容器的能量密度正在不断提升。未来，先进超级电容器将在保持其高功率、长寿命特性的同时，进一步缩小与电池在能量密度上的差距。此外，将超级电容器与电池（如锂离子电池）进行混合储能，形成优势互补的储能系统，也是一个重要的发展方向。这种混合系统可以充分发挥超级电容器的快速响应能力和电池的高能量密度特性，满足复杂工况下的储能需求。

　　新材料的发现与应用是储能技术突破的核心驱动力。例如，二维材料（如石墨烯）、新型电解质、高容量电极材料等的研究将为储能器件性能的提升带来更多可能。同时，人工智能（AI）和大数据技术在储能领域的应用也日益深入，例如用于新材料的筛选与设计、电池状态的精准预测与管理、储能系统的优化调度等，将极大推动储能技术的智能化发展。

　　储能技术是实现全球能源可持续发展的关键支撑。从成熟的锂离子电池、抽水蓄能，到潜力巨大的液流电池，再到不断突破瓶颈的超级电容器，以及备受期待的固态电池、金属空气电池和氢储能，储能技术正呈现出多元化、快速迭代的发展态势。韩国科学家在高性能超级电容器方面取得的突破，再次印证了材料科学和结构创新在推动储能技术进步中的核心作用。未来，随着技术的不断进步和成本的持续下降，储能将在电力系统、交通运输、工业生产和日常生活中扮演越来越重要的角色。返回搜狐，查看更多