電化學(xué)電容器(EC)，也稱為超級(jí)電容器或超級(jí)電容器，與您在電視或計(jì)算機(jī)中找到的常規(guī)電容器的不同之處在于它們可以存儲(chǔ)更高的電荷量。它們作為儲(chǔ)能裝置引起了人們的注意，因?yàn)樗鼈儽入姵馗斓爻潆姾头烹姡鼈內(nèi)匀皇艿降湍芰棵芏鹊南拗?，這只是電池能量密度的一小部分。將電容器的功率性能與電池的高能量密度相結(jié)合的EC將代表能量存儲(chǔ)技術(shù)的顯著進(jìn)步。這需要新的電極，其不僅保持高導(dǎo)電性，而且與使用活性炭電極的常規(guī)EC相比，還提供更高且更易接近的表面積。
現(xiàn)在，加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員使用標(biāo)準(zhǔn)的LightScribe DVD光驅(qū)來(lái)生產(chǎn)這種電極。電極由石墨烯的膨脹網(wǎng)絡(luò)組成 - 石墨烯是一個(gè)原子厚度的石墨碳層 - 具有優(yōu)異的機(jī)械和電氣性能以及極高的表面積。
來(lái)自化學(xué)與生物化學(xué)系，材料科學(xué)與工程系以及加利福尼亞納米系統(tǒng)研究所的加州大學(xué)洛杉磯分校研究人員展示了高性能石墨烯電化學(xué)電容器，該電容器在高機(jī)械應(yīng)力下保持優(yōu)異的電化學(xué)特性。該論文發(fā)表在“科學(xué)”雜志上。
該過(guò)程基于在DVD盤上涂覆氧化石墨膜，然后在LightScribe DVD驅(qū)動(dòng)器內(nèi)進(jìn)行激光處理以生產(chǎn)石墨烯電極。通常，能量存儲(chǔ)裝置的性能由兩個(gè)主要數(shù)字評(píng)估，即能量密度和功率密度。假設(shè)我們正在使用該設(shè)備來(lái)運(yùn)行電動(dòng)汽車 - 能量密度告訴我們汽車可以進(jìn)行多次充電，而功率密度告訴我們汽車可以達(dá)到多快。這里，用激光Scribe石墨烯(LSG)電極制造的器件在不同電解質(zhì)中表現(xiàn)出超高能量密度值，同時(shí)保持EC的高功率密度和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，這些EC在高機(jī)械應(yīng)力下保持優(yōu)異的電化學(xué)屬性，因此有望用于高功率，柔性電子器件。
“我們的研究表明，我們的新型石墨烯超級(jí)電容器可以存儲(chǔ)與傳統(tǒng)電池一樣多的電量，但可以快速充電和放電一百到一千倍，”化學(xué)與材料科學(xué)與工程教授Richard B. Kaner說(shuō)。
“在這里，我們提出了一種通過(guò)簡(jiǎn)單的全固態(tài)方法生產(chǎn)高性能石墨烯EC的策略，該方法避免了石墨烯片的重新堆疊，”該研究的主要作者M(jìn)aher F. El-Kady說(shuō)?？{實(shí)驗(yàn)室的研究生。
研究小組制造的LSG電極沒(méi)有活性炭電極的問(wèn)題，迄今為止限制了商用EC的性能。首先，LightScribe激光引起石墨氧化物的同時(shí)還原和剝落，并產(chǎn)生具有更高且更易接近的表面積的LSG的開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)。這導(dǎo)致LSG超級(jí)電容器具有相當(dāng)大的電荷存儲(chǔ)容量。電極的開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有助于最小化電解質(zhì)離子的擴(kuò)散路徑，這對(duì)于裝置充電是至關(guān)重要的。這可以通過(guò)易于接近的平坦石墨烯片來(lái)解釋，而活性炭的大部分表面積存在于限制離子擴(kuò)散的非常小的孔中。
此外，與活性炭(10-100 S / m)相比，LSG電極具有機(jī)械強(qiáng)度并顯示出高導(dǎo)電率(> 1700 S / m)。這意味著LSG電極可以直接用作超級(jí)電容器電極，而不需要像傳統(tǒng)活性炭EC那樣的粘合劑或集電器。此外，這些特性允許LSG充當(dāng)EC中的活性材料和集電器。兩個(gè)功能在單個(gè)層中的組合可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的架構(gòu)，并使LSG超級(jí)電容器具有成本效益的設(shè)備。
可商購(gòu)的EC由夾在兩個(gè)電極之間的隔板組成，所述電極具有液體電解質(zhì)，所述液體電解質(zhì)螺旋纏繞并包裝到圓柱形容器中或堆疊成紐扣電池。遺憾的是，這些器件架構(gòu)不僅遭受電解質(zhì)可能的有害泄漏，而且它們的設(shè)計(jì)使得難以將它們用于實(shí)際的柔性電子器件。
研究小組用聚合物凝膠電解質(zhì)取代了液體電解質(zhì)，該電解質(zhì)也起到隔膜的作用，進(jìn)一步減少了器件的厚度和重量，簡(jiǎn)化了制造工藝，因?yàn)樗恍枰厥獾陌b材料。
為了在實(shí)際條件下評(píng)估這種全固態(tài)LSG-EC用于靈活存儲(chǔ)的潛力，研究團(tuán)隊(duì)將設(shè)備置于恒定的機(jī)械應(yīng)力下以分析其性能。有趣的是，這對(duì)設(shè)備的性能幾乎沒(méi)有影響。
“我們將高性能和耐用性歸功于電極的高機(jī)械靈活性以及LSG電極和凝膠電解質(zhì)之間的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，”Kaner解釋道。“電解液在裝置組裝過(guò)程中固化，并像膠水一樣將設(shè)備組件固定在一起。”
即使在極端條件下進(jìn)行測(cè)試，該方法也可提高機(jī)械完整性并延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。
由于這種卓越的性能尚未在商用設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，這些LSG超級(jí)電容器可以為下一代柔性便攜式電子產(chǎn)品引領(lǐng)理想的儲(chǔ)能系統(tǒng)。