激光雕刻石墨烯有望为新型电子产品供电

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电力输送和存储技术的进步对于电动汽车的未来以及在其他方面减少对燃烧化石燃料产生的能源的依赖至关重要。然而,一种能够快速充电和放电,同时还能存储大量能量的强大电子设备运行方式长期以来一直困扰着科学家。

由于一项新的研究,这种困境可能正在改变。来自加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 和埃及开罗大学的一个团队在3月16日出版的《科学》杂志上描述了一种新的基于激光的技术,用于制造柔性、耐用且高导电性的电化学电容器——也称为超级电容器超电容器——由石墨烯制成。电化学电容器能够很好地处理频繁的充电/放电循环,但一直无法存储大量能量。(锂离子电池和其他传统电池可以存储大量能量,但寿命周期短,并且充满了已知在某些条件下会着火的危险化学物质。)

使用石墨烯(一种单原子厚的石墨薄片)制成的电化学电容器,几年前开始显示出提高存储容量的潜力。与堆叠在一起成为一块石墨时相比,单个石墨烯片创造了更大的表面积。这种更大的表面积增加了能量存储容量。然而,石墨烯片之间强大的静电吸引力使得石墨烯成为一种难以加工的材料,因为它往往会导致它们重新堆叠回其原始石墨形式。


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研究人员由加州大学洛杉矶分校博士候选人兼开罗讲师Maher El-Kady 和加州大学洛杉矶分校化学与生物化学以及材料科学与工程系的教授 Richard Kaner 领导,他们找到了一种避免这种重新堆叠的方法。他们用塑料片覆盖普通光盘,用氧化石墨涂覆塑料片,并使用 LightScribe DVD 光驱局部加热涂层,将其变成石墨烯薄膜,这种薄膜可以以高度可逆的电形式存储能量,这对于许多当前和新兴应用非常重要。

研究人员表示,由激光刻写石墨烯制成的电极也可以弯曲,而其电气特性没有任何明显变化。这不仅为改进电化学电容器带来了希望,也为柔性设备带来了希望,例如可卷曲的计算机显示器和键盘以及可穿戴电子产品。

JME, Inc. 总裁 John Miller 观察到,这种薄型、高度柔性的储能装置可能会催生织物电化学电容器,用于存储收集到的身体运动能量,这可能对制造带有嵌入式电子设备的服装或军装有用。JME, Inc. 是一家位于俄亥俄州比奇伍德的公司,为电化学电容器制造商提供工程、性能测试和其他服务,在《科学》报告的评论中指出。Miller 补充道,想象一下无需驾驶员拨动开关即可加热的汽车座椅,或者可以根据照明条件改变图案或亮度的电子壁纸。

图形演示了石墨烯通过与电化学电容器中的离子相互作用来存储电能的能力,图片由 Science/AAAS 提供

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