麻省理工学院的工程师们进行了一项新研究，详细介绍了二维碳“纸”如何形成可伸缩的超级电容器，为柔性电子设备提供动力。

 

当有人把一张纸揉皱时，通常意味着它马上就要被扔掉了。但研究人员已经发现,起皱的一块石墨烯“纸”——物质结合在一起形成的层的二维形式的碳——实际上可以产生新的特性,可以用于创建极其柔性超级电容器为柔性电子设备储存能量。天富注册链接

 

麻省理工学院机械工程、土木与环境工程助理教授赵萱和其他四位作者在《科学报告》杂志上报道了这一发现。研究小组说，这种新的、柔韧的超导体应该易于制造，而且成本低廉。

 

“很多人都在探索石墨烯纸:它是制造超级电容器的一个很好的候选材料，因为它的每质量表面积很大，”赵说。现在，他说，柔性电子设备的发展，比如可穿戴或可植入的生物医学传感器或监测设备，将需要柔性的电力存储系统。

 

和电池一样，超级电容也可以储存电能，但它们主要是通过静电而不是化学方式储存的，这意味着它们比电池传递能量的速度更快。现在赵和他的团队已经证明，通过将一张石墨烯纸揉成一团混乱的褶皱，他们可以制作一个超级电容器，它可以很容易地弯曲、折叠或拉伸到原来大小的800%。该团队用这种方法制作了一个简单的超级电容器，作为原理证明。

 

该团队已经证明，这种材料可以被揉皱和压平多达1000次，而不会严重影响性能。“石墨烯纸非常坚固，”赵说，“我们可以在多个循环中实现非常大的变形。”“石墨烯是一种纯碳的结构，只有一个原子厚，碳原子呈六边形排列，是已知最强的材料之一。

 

为了制造出皱褶的石墨烯纸，人们将一张石墨烯材料放入一个机械设备中，首先将其朝一个方向压缩，形成一系列平行折叠或褶皱，然后再朝另一个方向压缩，形成混乱的皱褶表面。拉伸后，这种材料的褶皱会自动变平。

 

形成一个电容器需要两层导电层——在这个例子中，是两张皱褶的石墨烯纸——中间有一层绝缘层，在这个演示中，绝缘层是由水凝胶材料制成的。与折叠的石墨烯一样，水凝胶具有高度的可变形性和延展性，因此即使在弯曲和拉伸的情况下，三层材料仍能保持接触。天富注册链接

 

赵说，虽然最初的演示是为了制造超级电容器，但同样的揉皱技术可以应用到其他方面。例如，皱褶的石墨烯材料可以用作柔性电池的电极，也可以用来制作可伸缩的传感器，用于检测特定的化学或生物分子。

 

“这项工作对我来说真的是令人兴奋和惊奇，”丹·李说，他是澳大利亚莫纳什大学的材料工程教授，没有参与这项研究。他说，该团队“提供了一种极其简单但非常有效的概念，通过控制多层石墨烯薄膜的褶皱，为超级电容器制造可伸缩的电极。”他说，虽然其他公司也制造了柔性超级电容器，但“让超级电容器具有延展性一直是一个巨大的挑战。”这篇论文为解决这一挑战提供了一种非常聪明的方法，我相信这会让可穿戴储能设备离我们更近。”

 

该研究团队还包括华中科技大学的臧剑锋、杜克大学的曹长阳、冯亚英和刘杰。本研究得到了海军研究处、国家自然科学基金和国家“千人计划”的支持。