可曾想象过一辆干净的轿车，它终于摆脱了使用汽油的羁绊，改用耐力持久的电池驱动?移动设施：ipad、智能手机，甚至人造心脏等充电几秒钟便可连续使用几个月?这便需要轻便、能够快速充电并且耐力持久的电池。然而，目前，电池的特性却恰恰相反，这都是化学拖的后腿。因为确切地说，一节电池不储存任何电力，是它内部化学物质之间进行的带电离子的交换产生了电流。它的缺点很多：价格昂贵、体积笨重、使用有毒的化学物质、充电时间长……最后还避免不了报废的结果!
乔尔·辛达尔
飞机上的发明
在飞往美国汽车工业之都底特律的班机上，乔尔·辛达尔有了这一足以引发未来交通变革的想法。当时，这位麻省理工学院的电子与信息工程教授读到一篇关于碳纳米管的文章。碳纳米管是一些狭长圆柱状的碳分子。当他读到密集的碳纳米管丛能够提供巨大的比表面积时，忽然灵光闪现：我们能否用这些碳纳米管来制造一个超级电容，使它既能储存与电池相当的能量，又能在几秒内完成充电呢？经过两年半的研究，这位言谈一向极有分寸的学者再也难掩兴奋：“我们的电容真的可以改变能量世界！”
超级电池的原理非常简单。两个面对面的金属片(电极)，就像两个储存带电离子的容器。在充电时，两个金属片积蓄离子。放电时，它们快速释放这些离子。离子释放使连接两极的导线中产生电子运动，一股电流便产生了。问题是电极所积蓄离子的数量取决于电极比表面积的大小。因为比表面积越大，离子也就越多。
科学经验表明，把半导体管子做到纳米尺度，其作用会发生巨变。比如，在超微集成电路芯片上，半导体“纳米管”可用作不同粗细、长短的纳米导线或纳米元器件，使计算机更趋微型化，由此笔记本电脑将可能微缩成掌上电脑。但做纳米管并不是做水泥管，因为根本不存在那么小的模具。科学家通常将材料“磨”成纳米级厚度的“书页”，再“卷”成纳米管。但该物理方法成本高、难度大。朱英杰等找到一种“自然天成”的生物分子辅助法。他的设计思路是：先将结合生物分子的纳米晶体排成一条纳米线，然后让另一种纳米晶体“包裹”在这根线的表面，巧妙的是，两种纳米晶体结合后会把生物分子“吃掉”，那根线消失了，内部就形成了“中空”。
纳米技术其实没有我们平常想的那么高深，它也很一般，只是尺度上比较小罢了，正式因为纳米合金具备了纳米尺度，所以它的微观结构比较好。比如用TiO2这种合金与碳纳米管来制备纳米复合材料，合成后的复合材料可以更大地提高锂电池负极的锂离子的充放电能力，而且电池的容量就会比现在的手机电池有很大的增加，手机电池的寿命也就延长了。手机电池使用寿命的延长其实就是电池的循环特性增加了。有了纳米合金的优化结构，可以增加电池的循环次数，也就是可以让电池的寿命增加了。
充电只需几秒
目前，电容提供的电量只有一节化学电池的1/25。革命来自纳米技术!研究人员在电极表面覆上成千上万的碳纳米管(其直径只有一根头发丝的l/30 000)，成功地扩大其比表面积，从而使电容拥有了更大的能量。而这个超级电容的身躯却是娇小无比，仅仅只有几毫米长。
超级电容的其他品质也令它鹤立鸡群：它只需几秒钟——而不是几小时——就能充电完毕；它的使用寿命可达3 000年，而且是在高频率的使用状态下。从个人电脑到移动电话，再到汽车，它的应用无所不在。超级电容可以在几秒钟或几分钟内充电完毕，而一部电池却需要几小时。这种速度上的优势也表现在放电上：一个电容可以即刻满足强大的能量需求，而一部电池却需要慢悠悠地释放它的化学能量。
另外，电池内的化学反应在低温下会变得低效，而超级电容可以毫无顾虑地在极其寒冷的条件下作业。最后，电池内的化学反应还会产生有害的副产品。比如汽车电池中的硫化铅等，这些物质会不断累积，从而限制电池的使用寿命：充电、放电几百个周期后便要报废。而电容则完全不受此制约，可以循环使用达几十万个周期。
如此多的优点令电容颇受汽车工业的欢迎，特别是它的可靠性和它能够迅速满足巨大能量需求的特点(几秒内释放几千瓦的功率)，尤其适宜为智能自动驾驶、刹车后能量重蓄，以及车载音响设备供电。然而，尽管有业界人士的满腔热情，超级电容却仍然定格在了电池配角的地位上。化学电池别无所长，但有一张决定性的王牌，那就是更强的存储能力。“现在的超级电容表现出的储能密度为每千克5至6瓦时，而作为现今性能最优越的电池，锂电池的储能密度可以达到每千克60至90瓦时。”
研究人员却深信，颠覆电池在能量存储领域的霸权只不过是个时间问题。超级电容的缺陷非常容易理解：它们的“容量”取决于它们捕获离子的能力，也就是说电极提供尽可能大的比表面积的能力。目下，使用布满活性炭——用酸腐蚀过的多孔碳——的铝膜制造每克比表面积达3 000平方米的电极。电极之间的空间充满了电解质。超级电容通电后，电解质中的离子便会密集地依附在每一个电极的碳层表面，间距仅为一个离子的宽度：几乎只有1纳米！这样便达到了前文所提及的比率，并获得了我们所知的成绩。
而乔尔·辛达尔和他的团队却为活性炭找到了更神奇的替代物：碳纳米管。辛达尔把它们比作超细的发丝。但这些“发丝”具有极佳的导电能力。麻省理工学院的学者们由此获得灵感：使用碳纳米管，以获得比活性炭更大的比表面积。为了达到这个目的，可以在一个导电表面上以5～10纳米的间距植上直径为几纳米、长度为100微米的碳纳米管——如果那是发丝的话，其长度将达2.5米。根据他们的理念，离子在带电碳纳米管的吸引下，会像珠子一样堆满所有间隙。
“我们已经计算过，这种设计可将离子捕捉面积扩大至现有产品的20到30倍，能够达到与电池相同的能量密度。”乔尔·辛达尔解释道。为了完成这个构造，麻省理工学院的研究小组采用往金属“纳米籽”上喷洒碳蒸汽的技术，碳纳米管便会从这些“纳米籽”上面“长出”。乔尔·辛达尔计划把这革命性的超级电容首先用在医疗设备上，如电池价格昂贵的助听器。但毫无疑问，在混合动力汽车领域，这些超级电容能带来更多的好处。“为了延长电池组的寿命，汽车制造商投入了巨大的成本。这些电池昂贵的价格(1 000～2 000美元不等)为我们的产品提供了可乘之机。”在更远的将来，碳纳米管超级电容将进入我们的电脑和移动电话。即使这种产品会比传统锂电池贵上2~3倍，但为了一个不仅容量相当，而且寿命更长、能够瞬时充电的元件，谁说大家不会掏腰包呢?有了超级电容就方便了，电用完了，随便有插座的地方，插几秒就完成充电，方便吧。
