隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)的快速發(fā)展以及便攜式電子設(shè)備和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，設(shè)備微型化已成為一個重要發(fā)展方向，這就要求與之配套的供能器件必須兼具小的體積和高的效率。
目前為設(shè)備供能的微型發(fā)電機存在不能持續(xù)供能且功率較低的缺陷，而傳統(tǒng)的微型電池則存在充放電效率低、循環(huán)次數(shù)有限、不具備大功率充放電能力且安全性較差等缺點，因此迫切需要發(fā)展一種體積小、效率高、能量密度和功率密度大、使用壽命長的儲能裝置。
神奇的“超級電容器”
超級電容器，也稱電化學(xué)電容器，是基于高比表面積炭電極/電解液界面產(chǎn)生的雙電層電容，或者基于過渡金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔锏谋砻婕绑w相所發(fā)生的氧化還原反應(yīng)來實現(xiàn)能量的儲存。其構(gòu)造和電池類似，主要包括正負(fù)電極、電解液、隔膜和集流體。
作為一種新型儲能裝置，超級電容器具有輸出功率高、充電時間短、使用壽命長、工作溫度范圍寬、安全且無污染等優(yōu)點，有望成為本世紀(jì)新型的綠色電源。傳統(tǒng)的超級電容器體積較大，不能適應(yīng)微型設(shè)備對于儲能器件體積較小的要求。因此，高性能微型超級電容器的設(shè)計與制備，以及在微型系統(tǒng)中作為能量存儲單元的應(yīng)用是當(dāng)前研究的熱點之一。
眾所周知，電極材料是超級電容器的關(guān)鍵所在，它決定著電容器的主要性能指標(biāo)，如能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性等。截至目前，納米結(jié)構(gòu)的活性炭、碳化物轉(zhuǎn)化炭、碳納米管、炭洋蔥、氧化釕、聚苯胺和聚吡咯等已經(jīng)被用于微型超級電容器的電極材料，然而，它們的性能指標(biāo)很難滿足不斷發(fā)展的微型能源系統(tǒng)的實際使用要求。而且，制造微型超級電容器電極需要復(fù)雜的光刻工藝，條件苛刻、周期長，因此很難降低產(chǎn)品的成本及價格，從而阻礙了其商業(yè)化前景。
由一層碳原子呈蜂窩狀有序排列而構(gòu)成的石墨烯已經(jīng)被證明是一種新型且高效的超級電容器電極材料。近日，美國加州大學(xué)洛杉磯分校工程及應(yīng)用科學(xué)學(xué)院理查德·卡奈爾教授研究團隊發(fā)展了以石墨烯為基礎(chǔ)的新型微型超級電容器。
令人非常興奮的是，該電容器不僅具有小巧的外形，更重要的是可以在極短的時間內(nèi)完成充電，其充放電的速度比標(biāo)準(zhǔn)電池快數(shù)百倍甚至上千倍。
此外，這種石墨烯基微型超級電容器還具有極佳的柔性，一般的扭曲不會影響電容器的性能。更令人驚奇的是，制造這種體積很小的微型超級電容器并不需要高精尖的設(shè)備器械，利用一臺普通的家用DVD光雕刻錄機就可以完成整個生產(chǎn)過程。該研究團隊能在不到30分鐘的時間內(nèi)，在一張光盤上生產(chǎn)出100多個石墨烯微型超級電容器，其工藝過程簡單，并且所用材料都很廉價。
除了電極材料，該團隊對電極結(jié)構(gòu)也進行了優(yōu)化和比較。與較為普遍的三明治夾層式石墨烯電極相比，光刻得到的平面石墨烯電極具有更加優(yōu)越的電容性能。而且，相同面積的石墨烯，手指交叉形狀的微型電極數(shù)量越多，電容器的性能就越好。
同時，該團隊還首次提出了一種由納米二氧化硅和離子液體混合構(gòu)成的新型固態(tài)電解質(zhì)。與傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)相比，該電解質(zhì)可以數(shù)倍提高電容器的容量及耐用時間，該方面的性能甚至可以和薄膜型的鋰離子電池相媲美。
因此，這種新穎的石墨烯微型電容器有望作為MEMS系統(tǒng)、便攜式電子設(shè)備、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、柔性顯示器、電子報紙，及其多種生物體內(nèi)電子設(shè)備的儲能器件得到應(yīng)用。
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