国立先进产业技术综合研究所（所长野间口裕）（以下简称“AIST”）纳米管应用研究中心[研究中心主任饭岛澄夫]超级生长CNT团队能源技术研究部畠健二研究组组长[研究主任长谷川博夫]储能材料组首席研究员羽鸟弘明名城大学研究生院理工学研究生院博士伊扎迪娜·贾法巴迪·阿里等人。单壁碳纳米管（单壁碳纳米管）作为电极电容器的原型，评估了其性能，并确认其在比传统活性炭电极电容器更高的电压下稳定运行。
与二次电池不同，电容器是长寿命、高输出的设备，可以直接物理存储电能。电容器的能量密度和功率密度与工作电压的平方成正比，但传统活性炭电极电容器由于电极中存在杂质，在施加3V或更高电压时存在寿命缩短的问题。
这次，超级成长法合成的高纯度单壁碳纳米管制造了电极。并进行了性能测试。使用该电极的电容器在4V电压下工作并表现出67Wh/kg的高能量密度和93kW/kg的高功率密度。此外，经过1000次充放电测试，使用活性炭电极的电容器的电容降低率为46%，而单层CNT电极的电容器仅为36%。未来，人们认为它可以作为小型轻量的微电容器应用于便携式电子设备和无处不在的设备。
这项研究是由日本科学技术振兴机构（JST）战略创意研究促进项目团队研究（CREST）“通过工艺集成创建功能表达纳米系统”[研究主管：国立材料科学研究所、国立材料科学研究所所长曾根]这项工作是作为研究项目“使用通过自组装工艺创建的功能复合CNT元件的软纳米MEMS设备”的一部分进行的，在Junichi]研究领域[主要研究员：Kenji Hatake]，详细信息于2010年6月18日（德国时间）发表在德国科学杂志《Advanced Materials》网络版上。
 |
单层CNT电极的扫描电子显微镜图像（左）和使用无集流体的单层CNT电极的电容器结构（右）
|
与涉及化学反应的二次电池不同，电容器作为可快速充电和放电、寿命长、劣化少的装置而受到关注。虽然用于电动汽车和其他应用的大型高容量电容器的开发不断取得进展，但小型家用电器、便携式电子设备和移动通信等应用需要更小、更轻的电容器。活性炭具有大的比表面积，通常被用作电容器的电极。然而，为了将活性炭粉末形成电极，需要导电粘合剂，并且由于粘合剂和活性炭表面上的杂质和官能团加速劣化，因此只能施加小于3V的电压，导致寿命短。因此，需要开发一种长寿命、高性能的电极来替代活性炭电极，以及开发使用该电极的实用电容器。
单壁碳纳米管具有纤维结构，因此无需使用粘合剂即可将其制成片材。此外，由于其具有作为电容器电极的理想特性，例如导电性、大的比表面积以及表面上没有官能团，因此研究和开发一直在取得进展。然而，在传统的合成方法中，在除去催化剂时将官能团添加到表面，因此尚未证实作为电容器电极的足够的性能。
产业技术研究院纳米管应用研究中心开发了高碳纯度单壁碳纳米管的合成方法“超生长法”，并与能源技术研究本部合作进行电容器电极的应用研究。
用于电极的单壁碳纳米管是通过超生长方法合成的，并且在使用时没有进行任何特殊处理，例如去除金属催化剂。即使在这种状态下，碳纯度也高达9998%，除CNT以外的碳杂质低于2%，99%的CNT为单壁CNT，几乎没有多壁CNT，比表面积大（1300 m2/g)。合成的单壁碳纳米管沿一个方向取向，压缩后将它们浸入电解溶液（四氟硼酸四甲基铵/碳酸丙烯酯）中以增加其密度并形成电极（图1a）。
 |
|
图1a) 单层CNT 电极的扫描电子显微镜图像。白色箭头表示 CNT 的取向方向。 b）活性炭电极的扫描电子显微镜图像。 c）使用不带集电器的单层CNT电极的电容器结构。 d) 使用带有集电器的单层CNT电极的电容器结构
|
单层CNT电极的电导率为21S/cm，即使没有集流体，也足以作为电容器电极，因此测试电容器简单地与电极片堆叠在一起，中间有纤维素隔膜电流收集器（图 1c）和一个用铂网作为集电器的（图 1d）。为了进行比较，我们还制作了由活性炭 YP17、聚四氟乙烯 (PTFE) 和炭黑制成的电极（图 1b）。集流体为铂网，电解质与单壁碳纳米管电极相同。
图 2 显示了使用这三种电极的原型电容器的性能测试结果。两种单层 CNT 电极电容器在 0 至 4 V 范围内均表现出稳定运行（图 2a）。另外，进行恒流放电（图2b）比电容（图2c）和电压降（图2d）进行了计算。两种单层CNT电极电容器都比活性炭电极具有更高的比电容和更小的IR降。使用不带集流体的单壁碳纳米管电极的电容器的能量密度为67 Wh/kg，功率密度为93 kW/kg，带集流体的能量密度分别为94 Wh/kg和210 kW/kg。
 |
|
图2 带集电器的单壁CNT电极（蓝色）、不带集电器的单壁CNT电极（红色）和活性炭电极（黑色）的电容器性能测试结果
|
此外，我们对单层碳纳米管电极电容器和活性炭电极电容器在0至4V的工作电压和0至35V的工作电压下进行了1000次充放电测试。带或不带集电器的单壁CNT电极电容器的电容仅为36%，而活性炭电极电容器则降低了46%（图3）。
 |
|
图 3 1000 次充电/放电测试期间电容的变化。带集流体的CNT电极电容器（蓝色）、不带集流体的CNT电极电容器（红色）、活性炭电极电容器（黑色）
|
当单层CNT电极用于电容器器件时，我们计算了封装产品的性能，发现它比市售的双电层电容器器件具有更高的能量密度（17 Wh/kg）和更高的功率密度（24 kW/kg）（图4）。这是因为由于不需要集电器，可以减轻器件的重量，并且通过使用不含杂质且具有大比表面积的单壁碳纳米管可以提高工作电压。另外，电容器通常具有比二次电池低的能量密度，但通过使用该电极，可以制造单位重量的能量密度与市售铅二次电池相当的装置。不使用集流体的电容器重量更轻，结构更简单，从而简化了制造工艺。此外，电解液中金属的存在可以防止电解液的分解和劣化，这具有允许长期使用的优点。
 |
|
图4 设备制造时的估计性能值（与传统产品比较）
|
使用高纯度单层碳纳米管电容器电极，我们的目标是开发结构简单、无集流体的轻质微电容器。他们还致力于制造可在更高电压下工作的电容器。未来，我们希望将该技术应用于移动电子设备以及移动电话和移动PC等小型、轻量且需要高输出的无处不在的设备。