據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家最近研宣布了一種以石墨烯資料為根底的超級(jí)電容器，其充電速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般鋰電池。用這種超級(jí)電容器為一部iPhone手機(jī)充滿(mǎn)電只是需求5秒鐘。因?yàn)檫\(yùn)用石墨烯材。

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家最近研宣布了一種以石墨烯資料為根底的超級(jí)電容器，其充電速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般電池。用這種超級(jí)電容器為一部iPhone手機(jī)充滿(mǎn)電只是需求5秒鐘。因?yàn)檫\(yùn)用石墨烯資料，該超級(jí)電容器體積超小且整合性強(qiáng)，被以為將帶來(lái)手機(jī)、新能源轎車(chē)等行業(yè)的革新。

跟著微機(jī)電體系(MEMS)的快速開(kāi)展以及便攜式電子設(shè)備和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的廣泛運(yùn)用，設(shè)備微型化已成為一個(gè)重要開(kāi)展方向，這就要求與之配套的供能器材必須兼具小的體積和高的功率。

現(xiàn)在為設(shè)備供能的微型發(fā)電機(jī)存在不能持續(xù)供能且功率較低的缺陷，而傳統(tǒng)的微型電池則存在充放電功率低、循環(huán)次數(shù)有限、不具備大功率充放電才能且安全性較差等缺陷，因而迫切需求開(kāi)展一種體積小、功率高、能量密度和功率密度大、運(yùn)用壽命長(zhǎng)的儲(chǔ)能設(shè)備。

神奇的“超級(jí)電容器”

超級(jí)電容器，也稱(chēng)電化學(xué)電容器，是根據(jù)高比外表積炭電極/電解液界面產(chǎn)生的雙電層電容，或許根據(jù)過(guò)渡金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔锏耐獗砑绑w相所發(fā)生的氧化復(fù)原反響來(lái)完成能量的貯存。其構(gòu)造和電池相似，首要包含正負(fù)電極、電解液、隔膜和集流體。

作為一種新式儲(chǔ)能設(shè)備，超級(jí)電容器具有輸出功率高、充電時(shí)間短、運(yùn)用壽命長(zhǎng)、作業(yè)溫度規(guī)模寬、安全且無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，有望成為本世紀(jì)新式的綠色電源。傳統(tǒng)的超級(jí)電容器體積較大，不能適應(yīng)微型設(shè)備關(guān)于儲(chǔ)能器材體積較小的要求。因而，高功能微型超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)與制備，以及在微型體系中作為能量存儲(chǔ)單元的運(yùn)用是當(dāng)時(shí)研討的熱門(mén)之一。

眾所周知，電極資料是超級(jí)電容器的關(guān)鍵所在，它決議著電容器的首要功能指標(biāo)，如能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性等。截至現(xiàn)在，納米結(jié)構(gòu)的活性炭、碳化物轉(zhuǎn)化炭、碳納米管、炭洋蔥、氧化釕、聚苯胺和聚吡咯等現(xiàn)已被用于微型超級(jí)電容器的電極資料，但是，它們的功能指標(biāo)很難滿(mǎn)意不斷開(kāi)展的微型能源體系的實(shí)際運(yùn)用要求。并且，制作微型超級(jí)電容器電極需求雜亂的光刻工藝，條件苛刻、周期長(zhǎng)，因而很難下降產(chǎn)品的本錢(qián)及價(jià)格，從而阻礙了其商業(yè)化遠(yuǎn)景。

由一層碳原子呈蜂窩狀有序擺放而構(gòu)成的石墨烯現(xiàn)已被證明是一種新式且高效的超級(jí)電容器電極資料。近來(lái)，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校工程及運(yùn)用科學(xué)學(xué)院理查德·卡奈爾教授研討團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了以石墨烯為根底的新式微型超級(jí)電容器。

令人十分振奮的是，該電容器不只具有細(xì)巧的外形，更重要的是能夠在極短的時(shí)間內(nèi)完結(jié)充電，其充放電的速度比標(biāo)準(zhǔn)電池快數(shù)百倍乃至上千倍。

此外，這種石墨烯基微型超級(jí)電容器還具有極佳的柔性，一般的歪曲不會(huì)影響電容器的功能。更令人驚奇的是，制作這種體積很小的微型超級(jí)電容器并不需求高精尖的設(shè)備器械，運(yùn)用一臺(tái)一般的家用DVD光雕刻錄機(jī)就能夠完結(jié)整個(gè)生產(chǎn)進(jìn)程。該研討團(tuán)隊(duì)能在不到30分鐘的時(shí)間內(nèi)，在一張光盤(pán)上生產(chǎn)出100多個(gè)石墨烯微型超級(jí)電容器，其工藝進(jìn)程簡(jiǎn)略，并且所用資料都很廉價(jià)。

除了電極資料，該團(tuán)隊(duì)對(duì)電極結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了優(yōu)化和比較。與較為普遍的三明治夾層式石墨烯電極比較，光刻得到的平面石墨烯電極具有愈加優(yōu)越的電容功能。并且，相同面積的石墨烯，手指穿插形狀的微型電極數(shù)量越多，電容器的功能就越好。

一起，該團(tuán)隊(duì)還初次提出了一種由納米二氧化硅和離子液體混合構(gòu)成的新式固態(tài)電解質(zhì)。與傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)比較，該電解質(zhì)能夠數(shù)倍進(jìn)步電容器的容量及經(jīng)用時(shí)間，該方面的功能乃至能夠和薄膜型的鋰離子電池相媲美。

因而，這種新穎的石墨烯微型電容器有望作為MEMS體系、便攜式電子設(shè)備、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)、柔性顯示器、電子報(bào)紙，及其多種生物體內(nèi)電子設(shè)備的儲(chǔ)能器材得到運(yùn)用。

中國(guó)積極參與

近些年，跟著針對(duì)石墨烯這種“萬(wàn)能資料”研討的不斷深入和國(guó)家對(duì)新能源范疇的大力支持和投入，一些高校和科研院所，包含清華大學(xué)、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、天津大學(xué)，中科院物理研討所、金屬研討所、寧波資料所以及蘭州化物所等，都在積極開(kāi)展石墨烯基微型超級(jí)電容器的研討作業(yè)。

例如，清華大學(xué)科研人員成功制備了具有高倍率特性的三維石墨烯微型超級(jí)電容器，中科院蘭州化物所科研人員在國(guó)際上初次發(fā)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)具有極好的電容特性，以其為電極資料制備的微型電容器具有極好的倍率特性和頻率響應(yīng)特性。

一個(gè)抱負(fù)的微型超級(jí)電容器應(yīng)該一起包含高功能的電極資料、與之相匹配的電解液以及科學(xué)合理的電極結(jié)構(gòu)。電極資料方面，炭電極的導(dǎo)電性及循環(huán)穩(wěn)定性好，而金屬氧化物則能夠存儲(chǔ)更多的電荷，因而，兩者的有用結(jié)合將會(huì)構(gòu)成十分抱負(fù)的電極資料。

電解液方面，離子液體能夠明顯進(jìn)步電容器器材的作業(yè)電壓、充放電持續(xù)時(shí)間以及運(yùn)用溫度規(guī)模。微型電極結(jié)構(gòu)方面，將電極做成立體三維結(jié)構(gòu)可獲得更大的外表積，有利于負(fù)載更多的電極活性物質(zhì)以及確保活性物質(zhì)的充分運(yùn)用，從而有利于改進(jìn)電容器電荷存儲(chǔ)功能。

因而，以石墨烯—納米金屬氧化物復(fù)合資料作為電化學(xué)活性資料，輔之以結(jié)構(gòu)合理的三維電極，并選擇適宜的離子液體電解液，就有望完成制備兼具傳統(tǒng)電容器和鋰離子電池兩層優(yōu)勢(shì)的儲(chǔ)能器材，這將會(huì)成為未來(lái)該范疇的一個(gè)重要研討開(kāi)展方向。

此外，持續(xù)尋求快速有用且本錢(qián)低廉的微型電極制作技能、電容器封裝和模塊化技能，以及微型超級(jí)電容器與其他能源器材的耦合技能等也是未來(lái)的研制要點(diǎn)。