莱斯大学的一项新研究详细介绍了用激光诱导石墨烯制成的三维超级电容器的设计和测试。

 

赖斯大学的科学家们通过生产和测试堆叠的三维超级电容器，推进了激光诱导石墨烯(LIG)的最新进展。这种储能设备对便携式、柔性电子产品非常重要。

 

化学家詹姆斯·图尔(James Tour)的莱斯实验室去年发现，向一种廉价的聚合物发射激光会烧掉其他元素，留下一层多孔石墨烯薄膜，这是一种被广泛研究的原子厚的碳晶格。研究人员认为这种多孔的导电材料是超级电容器或电子电路的完美电极。天富注册

 

 

为了证明这一点，旅行团的成员已经扩展了他们的工作，在聚合物薄片的两侧用激光诱导石墨烯制造垂直排列的超级电容器。然后在这些部分之间堆放固态电解质，形成一个多层三明治，里面有多个微超级电容器。

 

这种灵活的烟囱显示了卓越的能量存储能力和电力潜力，可以扩大商业应用。图尔说，LIG可以在环境温度下在空气中生产，也许可以通过卷到卷的工艺实现工业批量生产。

 

激光诱导石墨烯的垂直微超级电容器

 

这张示意图展示了莱斯大学科学家利用激光诱导石墨烯制造垂直微超级电容器的过程。这种柔性设备在可穿戴和下一代电子产品中显示出了应用潜力。天富注册

 

这项研究发表在本周的《应用材料与界面》杂志上。

 

电容器利用静电来储存能量，这些能量可以迅速释放出来，比如照相机的闪光灯。与基于化学物质的可充电电池不同的是，电容充电速度很快，一旦被触发，就会立刻释放所有能量。但是化学电池能储存更多的能量。超级电容器将这两种有用的特性结合在一起——电容器的快速充放电和电池的高能容量。

 

LIG超级电容器似乎能够做到这一切，同时还具有灵活性和可扩展性。这种灵活性确保了它们可以很容易地适应不同的包装——例如，它们可以卷在一个圆筒中——而不放弃任何设备的性能。

 

图尔说:“我们所做的可与现在商业化的微超级电容器相媲美，但我们将设备放入3d配置的能力使我们能够将大量设备打包到一个非常小的区域。”“我们只是把它们堆起来。

 

“另一个关键是我们做得非常简单。整个过程都不需要一个洁净室。这是在一个商业激光系统上完成的，就像在常规的机器车间，在露天。”

 

表面的波纹、皱纹和10纳米以下的孔隙，以及原子级别的缺陷，赋予了LIG储存大量能量的能力。但石墨烯保留了其快速移动电子的能力，并赋予其超级电容器的快速充电和释放特性。在测试中，研究人员对该设备进行了数千次充放电，几乎没有电容损失。

 

为了展示他们的超级电容器在应用上有多好，研究人员将每种不同的设备以串行和并行的方式连接在一起。正如预期的那样，他们发现在相同的电流密度下，串联装置的工作电压增加了一倍，而并联装置的放电时间增加了一倍。

 

垂直型超级电容器在被弯曲时，其电性能几乎没有变化，即使弯曲了8000次。

 

图尔表示，虽然薄膜锂离子电池能够存储更多的能量，但同样大小的LIG超级电容器在功率(能量流动的速度)方面的性能是薄膜锂离子电池的三倍。而且LIG设备可以很容易地扩大容量。

 

他说:“我们已经证明，这些将成为柔性电子产品的优秀组件，很快就会被嵌入到服装和消费品中。”

 

赖斯大学研究生彭志伟和之前的博士后研究员林建(现为密苏里大学助理教授)是这篇论文的共同第一作者。合著者是莱斯大学研究生叶汝泉和埃罗尔·塞缪尔。图尔是T.T.和W.F. Chao化学讲座教授，材料科学和纳米工程和计算机科学教授，以及Richard E. Smalley纳米科学与技术研究所成员。

 

空军科学研究办公室及其多学科大学研究计划(MURI)和海军研究办公室支持这项研究。