美研制出微型石墨烯超級(jí)電容器

本刊 付甜甜

美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的研究人員近日公布了他們研制出的一種新型超級(jí)電容器，采用了DVD刻錄機(jī)制作微觀尺度的石墨烯超級(jí)電容器，這種電容器能在幾秒內(nèi)給手機(jī)電池，甚至是給汽車電池充滿電。該科研組表示，他們的新突破不僅將會(huì)使充電更快的手機(jī)和汽車誕生，而且也會(huì)催生更小的電子產(chǎn)品。它具有容量大、功率高、使用壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn)。

雖然社會(huì)對(duì)越來(lái)越小的電子設(shè)備的需求刺激并促進(jìn)了各種技術(shù)的小型化，但是有一個(gè)領(lǐng)域卻落后于這個(gè)微型革命，即能量存儲(chǔ)器件，比如電池和電容器。

Richard Kaner是位于加州大學(xué)洛杉磯分校的加州納米技術(shù)研究院的成員，同時(shí)他還是加州大學(xué)洛杉磯分校化學(xué)與生物化學(xué)系的教授。Maher El-Kady是Kaner實(shí)驗(yàn)室的研究生。他們的研究成果可能改變目前的游戲規(guī)則，創(chuàng)造出一種新的電容器制作方法。

本研究成果已經(jīng)發(fā)表在《自然通訊》雜志上，研究中描述的新型具有成本效益的制造方法有望實(shí)現(xiàn)石墨烯超級(jí)電容器的規(guī)模化生產(chǎn)，并有潛力改變電子及其他領(lǐng)域的生產(chǎn)方式。

儲(chǔ)能器件與電路的集成具有一定的難度，通常會(huì)限制整個(gè)系統(tǒng)的小型化，這是因?yàn)樗璧膬?chǔ)能器件的尺寸很難縮減，且不能很好地與大多數(shù)集成生產(chǎn)工藝下的平面結(jié)構(gòu)相匹配。

研究員El-Kady說(shuō)：“制造微型超級(jí)電容器的傳統(tǒng)方法涉及到勞動(dòng)密集型光刻技術(shù)，事實(shí)證明，這種方法很難制造出符合成本效益的裝置，因此它大大限制了它們的商業(yè)應(yīng)用。而我們采用消費(fèi)級(jí)的DVD刻錄機(jī)，用比傳統(tǒng)裝置低很多的成本大面積生產(chǎn)石墨烯微型超級(jí)電容器。采用這項(xiàng)技術(shù)后，我們能用廉價(jià)材料，在不到30分鐘的時(shí)間里，在一個(gè)單一的光盤上生產(chǎn)超過(guò)100個(gè)微型的超級(jí)電容器?！?/p>

電子產(chǎn)品在小型化的過(guò)程中，往往依賴于扁平化技術(shù)，它會(huì)使得設(shè)備更薄，更像一個(gè)幾何平面，呈兩維結(jié)構(gòu)。對(duì)于超級(jí)電容器來(lái)說(shuō)，它再“快”也不過(guò)是數(shù)量上的升級(jí)，“小”才是其最大價(jià)值。新型超級(jí)電容器不但擁有較小的體積，且可以輕易整合到其他配件當(dāng)中。研究人員為了研制這種新的微型超級(jí)電容器，他們采用了兩維碳片，即石墨烯，它在第三維只有單原子那么厚。

在制造過(guò)程中，Kaner和El-Kady利用了新型設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于任何有效的超級(jí)電容器來(lái)說(shuō)，兩個(gè)獨(dú)立的電極必須放置在合適的位置，這樣電極間的有效表面積才能被最大化，才能使超級(jí)電容器儲(chǔ)存更多電荷。以前的設(shè)計(jì)是把一層層石墨烯堆疊在一起當(dāng)作電極，這就如同三明治上的面包片。這種做法是可行的，但是它與集成電路并不具有兼容性。在新設(shè)計(jì)中，研究人員以相互交叉的形式，把電極并排安裝，這與相互交叉的手指類似。這么做有助于最大化兩個(gè)電極的可用表面積，并縮短離子在電解液里的傳播路線。因此新型超級(jí)電容器與堆疊型電容器相比可存儲(chǔ)更多的容量，倍率性能也更好。

“使用LightScribe技術(shù)標(biāo)簽光盤，光盤的表面涂覆有一種活性染料，當(dāng)其暴露在激光下時(shí)顏色就會(huì)改變。與這種打印在專用染料上的技術(shù)不同，我們是在光盤上涂一層石墨氧化物薄膜，然后直接打印在上面?！盞aner說(shuō)，“我們以前發(fā)現(xiàn)了一種不尋常的光熱效應(yīng)，在這種效應(yīng)下，石墨氧化物會(huì)吸收激光，轉(zhuǎn)變成石墨烯，并以類似的方式應(yīng)用商業(yè)LightScribe工藝。根據(jù)激光的精度，光盤驅(qū)動(dòng)器會(huì)在石墨氧化物薄膜上繪制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的圖案，這樣就能生產(chǎn)出所需的石墨烯電路?！?/p>

El-Kady說(shuō)：“這種方法非常簡(jiǎn)單、成本低、效率高，而且能在家中生產(chǎn)。我們只需一個(gè)DVD刻錄機(jī)和分散在水里的石墨氧化物，這種材料能以較低的價(jià)格在市場(chǎng)上買到?！?/p>

新的微型超級(jí)電容器還具有高度的可彎曲特性，使其非常有潛力作為靈活的電子產(chǎn)品的能量存儲(chǔ)設(shè)備，如可卷曲的顯示器和電視機(jī)、電子紙，甚至可穿戴電子產(chǎn)品。

研究人員展示了以全固態(tài)形式應(yīng)用的新型激光蝕刻微型石墨烯超級(jí)電容器。這種應(yīng)用形式可使微型超級(jí)電容器以更便捷和更靈活的形態(tài)與其它新型裝置集成起來(lái)。微型超級(jí)電容器也可以采用同樣的技術(shù)直接制作在芯片上，這樣可以使它們更高效的集成在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）上。

這些微型超級(jí)電容器顯示出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，這是跟微型電池相比最重要的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。它克服了微電池的使用壽命短的缺陷，尤其在用于植入性永久結(jié)構(gòu)中時(shí)，微電池的缺陷可能會(huì)更突出，比如生物醫(yī)學(xué)植入物，有效的無(wú)線電頻率識(shí)別標(biāo)簽和嵌入式微傳感器。對(duì)于這些應(yīng)用，如果使用微型石墨烯超級(jí)電容器，以后都有可能不需維修或更換電源。

因?yàn)樗麄兛梢灾苯蛹稍谛酒?，所以這些微型超級(jí)電容器有助于更好地從太陽(yáng)能、機(jī)械能和熱能中吸收能量，從而成為更有效的自供電系統(tǒng)。它們還可以被制造在便攜式設(shè)備和屋頂安裝的太陽(yáng)電池的背面，并在白天存儲(chǔ)電能以備夜間使用，當(dāng)不能接入電網(wǎng)時(shí)可隨時(shí)提供電能。

該科研組表示，現(xiàn)在他們希望能與電子產(chǎn)品生產(chǎn)商合作。Kaner說(shuō)：“目前我們正在尋找商業(yè)合伙人，幫助我們大量生產(chǎn)這種石墨烯微型超級(jí)電容器?！?/p>

石墨烯發(fā)展歷程

石墨烯是一種二維的單層碳原子結(jié)構(gòu)材料，它不僅是世界上最強(qiáng)、最堅(jiān)硬、最薄的物質(zhì)，同時(shí)由于它在已知的材料中電阻率最小、導(dǎo)熱系數(shù)最高，因此也是最理想的電極和半導(dǎo)體材料，被認(rèn)為可以引發(fā)現(xiàn)代電子科技和信息技術(shù)的革命。

2004年，海姆和諾沃肖洛夫首次成功分離出只有一個(gè)碳原子厚度的單層石墨薄片，即石墨烯材料。這種材料被證實(shí)是世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅(jiān)硬的物質(zhì)。把20萬(wàn)片石墨烯薄膜疊加到一起，也只有一根頭發(fā)絲那么厚，但其硬度卻是鋼鐵的200倍。不止如此，這種材料還具備極好的透光性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，是最理想的電極和半導(dǎo)體材料。

2010年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因從事石墨烯的研究并揭示了其性質(zhì)而獲得當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這使得早在2004年就已經(jīng)面世的石墨烯成為科技領(lǐng)域新的熱點(diǎn)。由于具有高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、極輕薄等優(yōu)勢(shì)，石墨烯在電子、航天軍工、生物、新能源、半導(dǎo)體等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用潛力，被稱作可能改變世界的“神奇材料”。

中國(guó)科學(xué)院預(yù)計(jì)，到2024年前后，石墨烯器件可望替代CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）器件，應(yīng)用領(lǐng)域包括納電子器件、光電化學(xué)電池、超輕型飛機(jī)材料等。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)工程與自然科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)貝利表示，石墨烯有可能徹底改變目前數(shù)量龐大的各種應(yīng)用，“從智能手機(jī)和超高速寬帶，到藥物輸送和計(jì)算機(jī)芯片”。

“石墨烯將徹底改變21世紀(jì)。”在石墨烯的“誕生地”曼徹斯特大學(xué)，研究人士們這樣預(yù)言。

鏈接：美國(guó)加州納米技術(shù)研究院（CNSI）：美國(guó)加州納米技術(shù)研究院是一家綜合性的研究機(jī)構(gòu)，坐落在加州大學(xué)洛杉磯分校和加州大學(xué)圣巴巴拉分校。它的使命是促進(jìn)跨學(xué)科合作，在納米科學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域，培養(yǎng)新一代的科學(xué)家、教育家和技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，產(chǎn)生與產(chǎn)業(yè)界的合作伙伴關(guān)系，并有助于加利福尼亞州、美國(guó)和世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)福祉。美國(guó)加州納米技術(shù)研究院成立于2000年，最早是獲得加利福尼亞州的1億美元成立的。美國(guó)加州納米技術(shù)研究院成員獲得的納米科學(xué)和納米技術(shù)的科研經(jīng)費(fèi)總量已超過(guò)9億美元。加州大學(xué)洛杉磯分校的加州納米技術(shù)研究院的成員來(lái)自加州大學(xué)洛杉磯分校的大衛(wèi)格芬醫(yī)學(xué)院、牙科學(xué)院、學(xué)校公共衛(wèi)生和亨利薩繆理工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（the School of Public Health and the Henry Samueli School of Engineering and Applied Science）。他們所從事的測(cè)量、修改和操縱原子和分子技術(shù)是我們世界發(fā)展的基石。他們的工作是在一個(gè)集成的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行的。這種動(dòng)力學(xué)的研究設(shè)置加強(qiáng)了人們?cè)诩{米尺度現(xiàn)象上的理解，并有望在健康、能源、環(huán)境和信息技術(shù)領(lǐng)域展開更進(jìn)一步的發(fā)展。