美研制出微型石墨烯超級電容器

本刊 付甜甜

美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)的研究人員近日公布了他們研制出的一種新型超級電容器，采用了DVD刻錄機制作微觀尺度的石墨烯超級電容器，這種電容器能在幾秒內給手機電池，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使充電更快的手機和汽車誕生，而且也會催生更小的電子產品。它具有容量大、功率高、使用壽命長、經濟環保等特點。

雖然社會對越來越小的電子設備的需求刺激并促進了各種技術的小型化，但是有一個領域卻落后于這個微型革命，即能量存儲器件，比如電池和電容器。

Richard Kaner是位于加州大學洛杉磯分校的加州納米技術研究院的成員，同時他還是加州大學洛杉磯分校化學與生物化學系的教授。Maher El-Kady是Kaner實驗室的研究生。他們的研究成果可能改變目前的游戲規則，創造出一種新的電容器制作方法。

本研究成果已經發表在《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現石墨烯超級電容器的規模化生產，并有潛力改變電子及其他領域的生產方式。

儲能器件與電路的集成具有一定的難度，通常會限制整個系統的小型化，這是因為所需的儲能器件的尺寸很難縮減，且不能很好地與大多數集成生產工藝下的平面結構相匹配。

研究員El-Kady說：“制造微型超級電容器的傳統方法涉及到勞動密集型光刻技術，事實證明，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應用。而我們采用消費級的DVD刻錄機，用比傳統裝置低很多的成本大面積生產石墨烯微型超級電容器。采用這項技術后，我們能用廉價材料，在不到30分鐘的時間里，在一個單一的光盤上生產超過100個微型的超級電容器。”

電子產品在小型化的過程中，往往依賴于扁平化技術，它會使得設備更薄，更像一個幾何平面，呈兩維結構。對于超級電容器來說，它再“快”也不過是數量上的升級，“小”才是其最大價值。新型超級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中。研究人員為了研制這種新的微型超級電容器，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。

在制造過程中，Kaner和El-Kady利用了新型設計的優勢。對于任何有效的超級電容器來說，兩個獨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，才能使超級電容器儲存更多電荷。以前的設計是把一層層石墨烯堆疊在一起當作電極，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。在新設計中，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。因此新型超級電容器與堆疊型電容器相比可存儲更多的容量，倍率性能也更好。

“使用LightScribe技術標簽光盤，光盤的表面涂覆有一種活性染料，當其暴露在激光下時顏色就會改變。與這種打印在專用染料上的技術不同，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。”Kaner說，“我們以前發現了一種不尋常的光熱效應，在這種效應下，石墨氧化物會吸收激光，轉變成石墨烯，并以類似的方式應用商業LightScribe工藝。根據激光的精度，光盤驅動器會在石墨氧化物薄膜上繪制計算機設計的圖案，這樣就能生產出所需的石墨烯電路。”

El-Kady說：“這種方法非常簡單、成本低、效率高，而且能在家中生產。我們只需一個DVD刻錄機和分散在水里的石墨氧化物，這種材料能以較低的價格在市場上買到。”

新的微型超級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品的能量存儲設備，如可卷曲的顯示器和電視機、電子紙，甚至可穿戴電子產品。

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

這些微型超級電容器顯示出了優異的循環穩定性，這是跟微型電池相比最重要的一個優勢。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構中時，微電池的缺陷可能會更突出，比如生物醫學植入物，有效的無線電頻率識別標簽和嵌入式微傳感器。對于這些應用，如果使用微型石墨烯超級電容器，以后都有可能不需維修或更換電源。

因為他們可以直接集成在芯片上，所以這些微型超級電容器有助于更好地從太陽能、機械能和熱能中吸收能量，從而成為更有效的自供電系統。它們還可以被制造在便攜式設備和屋頂安裝的太陽電池的背面，并在白天存儲電能以備夜間使用，當不能接入電網時可隨時提供電能。

該科研組表示，現在他們希望能與電子產品生產商合作。Kaner說：“目前我們正在尋找商業合伙人，幫助我們大量生產這種石墨烯微型超級電容器。”

石墨烯發展歷程

石墨烯是一種二維的單層碳原子結構材料，它不僅是世界上最強、最堅硬、最薄的物質，同時由于它在已知的材料中電阻率最小、導熱系數最高，因此也是最理想的電極和半導體材料，被認為可以引發現代電子科技和信息技術的革命。

2004年，海姆和諾沃肖洛夫首次成功分離出只有一個碳原子厚度的單層石墨薄片，即石墨烯材料。這種材料被證實是世界上已經發現的最薄、最堅硬的物質。把20萬片石墨烯薄膜疊加到一起，也只有一根頭發絲那么厚，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、導電性和導熱性，是最理想的電極和半導體材料。

2010年，英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈·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而獲得當年的諾貝爾物理學獎。這使得早在2004年就已經面世的石墨烯成為科技領域新的熱點。由于具有高導電性、高強度、極輕薄等優勢，石墨烯在電子、航天軍工、生物、新能源、半導體等領域有廣泛的應用潛力，被稱作可能改變世界的“神奇材料”。

中國科學院預計，到2024年前后，石墨烯器件可望替代CMOS（互補金屬氧化物半導體）器件，應用領域包括納電子器件、光電化學電池、超輕型飛機材料等。英國曼徹斯特大學工程與自然科學學院院長貝利表示，石墨烯有可能徹底改變目前數量龐大的各種應用，“從智能手機和超高速寬帶，到藥物輸送和計算機芯片”。

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

鏈接：美國加州納米技術研究院（CNSI）：美國加州納米技術研究院是一家綜合性的研究機構，坐落在加州大學洛杉磯分校和加州大學圣巴巴拉分校。它的使命是促進跨學科合作，在納米科學和納米技術領域，培養新一代的科學家、教育家和技術的領導者，產生與產業界的合作伙伴關系，并有助于加利福尼亞州、美國和世界經濟的發展和社會福祉。美國加州納米技術研究院成立于2000年，最早是獲得加利福尼亞州的1億美元成立的。美國加州納米技術研究院成員獲得的納米科學和納米技術的科研經費總量已超過9億美元。加州大學洛杉磯分校的加州納米技術研究院的成員來自加州大學洛杉磯分校的大衛格芬醫學院、牙科學院、學校公共衛生和亨利薩繆理工程和應用科學學院（the School of Public Health and the Henry Samueli School of Engineering and Applied Science）。他們所從事的測量、修改和操縱原子和分子技術是我們世界發展的基石。他們的工作是在一個集成的實驗室環境中進行的。這種動力學的研究設置加強了人們在納米尺度現象上的理解，并有望在健康、能源、環境和信息技術領域展開更進一步的發展。