美研制出微型石墨烯超级电容器

本刊 付甜甜

美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究人员近日公布了他们研制出的一种新型超级电容器，采用了DVD刻录机制作微观尺度的石墨烯超级电容器，这种电容器能在几秒内给手机电池，甚至是给汽车电池充满电。该科研组表示，他们的新突破不仅将会使充电更快的手机和汽车诞生，而且也会催生更小的电子产品。它具有容量大、功率高、使用寿命长、经济环保等特点。

虽然社会对越来越小的电子设备的需求刺激并促进了各种技术的小型化，但是有一个领域却落后于这个微型革命，即能量存储器件，比如电池和电容器。

Richard Kaner是位于加州大学洛杉矶分校的加州纳米技术研究院的成员，同时他还是加州大学洛杉矶分校化学与生物化学系的教授。Maher El-Kady是Kaner实验室的研究生。他们的研究成果可能改变目前的游戏规则，创造出一种新的电容器制作方法。

本研究成果已经发表在《自然通讯》杂志上，研究中描述的新型具有成本效益的制造方法有望实现石墨烯超级电容器的规模化生产，并有潜力改变电子及其他领域的生产方式。

储能器件与电路的集成具有一定的难度，通常会限制整个系统的小型化，这是因为所需的储能器件的尺寸很难缩减，且不能很好地与大多数集成生产工艺下的平面结构相匹配。

研究员El-Kady说：“制造微型超级电容器的传统方法涉及到劳动密集型光刻技术，事实证明，这种方法很难制造出符合成本效益的装置，因此它大大限制了它们的商业应用。而我们采用消费级的DVD刻录机，用比传统装置低很多的成本大面积生产石墨烯微型超级电容器。采用这项技术后，我们能用廉价材料，在不到30分钟的时间里，在一个单一的光盘上生产超过100个微型的超级电容器。”

电子产品在小型化的过程中，往往依赖于扁平化技术，它会使得设备更薄，更像一个几何平面，呈两维结构。对于超级电容器来说，它再“快”也不过是数量上的升级，“小”才是其最大价值。新型超级电容器不但拥有较小的体积，且可以轻易整合到其他配件当中。研究人员为了研制这种新的微型超级电容器，他们采用了两维碳片，即石墨烯，它在第三维只有单原子那么厚。

在制造过程中，Kaner和El-Kady利用了新型设计的优势。对于任何有效的超级电容器来说，两个独立的电极必须放置在合适的位置，这样电极间的有效表面积才能被最大化，才能使超级电容器储存更多电荷。以前的设计是把一层层石墨烯堆叠在一起当作电极，这就如同三明治上的面包片。这种做法是可行的，但是它与集成电路并不具有兼容性。在新设计中，研究人员以相互交叉的形式，把电极并排安装，这与相互交叉的手指类似。这么做有助于最大化两个电极的可用表面积，并缩短离子在电解液里的传播路线。因此新型超级电容器与堆叠型电容器相比可存储更多的容量，倍率性能也更好。

“使用LightScribe技术标签光盘，光盘的表面涂覆有一种活性染料，当其暴露在激光下时颜色就会改变。与这种打印在专用染料上的技术不同，我们是在光盘上涂一层石墨氧化物薄膜，然后直接打印在上面。”Kaner说，“我们以前发现了一种不寻常的光热效应，在这种效应下，石墨氧化物会吸收激光，转变成石墨烯，并以类似的方式应用商业LightScribe工艺。根据激光的精度，光盘驱动器会在石墨氧化物薄膜上绘制计算机设计的图案，这样就能生产出所需的石墨烯电路。”

El-Kady说：“这种方法非常简单、成本低、效率高，而且能在家中生产。我们只需一个DVD刻录机和分散在水里的石墨氧化物，这种材料能以较低的价格在市场上买到。”

新的微型超级电容器还具有高度的可弯曲特性，使其非常有潜力作为灵活的电子产品的能量存储设备，如可卷曲的显示器和电视机、电子纸，甚至可穿戴电子产品。

研究人员展示了以全固态形式应用的新型激光蚀刻微型石墨烯超级电容器。这种应用形式可使微型超级电容器以更便捷和更灵活的形态与其它新型装置集成起来。微型超级电容器也可以采用同样的技术直接制作在芯片上，这样可以使它们更高效的集成在微机电系统（MEMS）或互补金属氧化物半导体（CMOS）上。

这些微型超级电容器显示出了优异的循环稳定性，这是跟微型电池相比最重要的一个优势。它克服了微电池的使用寿命短的缺陷，尤其在用于植入性永久结构中时，微电池的缺陷可能会更突出，比如生物医学植入物，有效的无线电频率识别标签和嵌入式微传感器。对于这些应用，如果使用微型石墨烯超级电容器，以后都有可能不需维修或更换电源。

因为他们可以直接集成在芯片上，所以这些微型超级电容器有助于更好地从太阳能、机械能和热能中吸收能量，从而成为更有效的自供电系统。它们还可以被制造在便携式设备和屋顶安装的太阳电池的背面，并在白天存储电能以备夜间使用，当不能接入电网时可随时提供电能。

该科研组表示，现在他们希望能与电子产品生产商合作。Kaner说：“目前我们正在寻找商业合伙人，帮助我们大量生产这种石墨烯微型超级电容器。”

石墨烯发展历程

石墨烯是一种二维的单层碳原子结构材料，它不仅是世界上最强、最坚硬、最薄的物质，同时由于它在已知的材料中电阻率最小、导热系数最高，因此也是最理想的电极和半导体材料，被认为可以引发现代电子科技和信息技术的革命。

2004年，海姆和诺沃肖洛夫首次成功分离出只有一个碳原子厚度的单层石墨薄片，即石墨烯材料。这种材料被证实是世界上已经发现的最薄、最坚硬的物质。把20万片石墨烯薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚，但其硬度却是钢铁的200倍。不止如此，这种材料还具备极好的透光性、导电性和导热性，是最理想的电极和半导体材料。

2010年，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因从事石墨烯的研究并揭示了其性质而获得当年的诺贝尔物理学奖。这使得早在2004年就已经面世的石墨烯成为科技领域新的热点。由于具有高导电性、高强度、极轻薄等优势，石墨烯在电子、航天军工、生物、新能源、半导体等领域有广泛的应用潜力，被称作可能改变世界的“神奇材料”。

中国科学院预计，到2024年前后，石墨烯器件可望替代CMOS（互补金属氧化物半导体）器件，应用领域包括纳电子器件、光电化学电池、超轻型飞机材料等。英国曼彻斯特大学工程与自然科学学院院长贝利表示，石墨烯有可能彻底改变目前数量庞大的各种应用，“从智能手机和超高速宽带，到药物输送和计算机芯片”。

“石墨烯将彻底改变21世纪。”在石墨烯的“诞生地”曼彻斯特大学，研究人士们这样预言。

链接：美国加州纳米技术研究院（CNSI）：美国加州纳米技术研究院是一家综合性的研究机构，坐落在加州大学洛杉矶分校和加州大学圣巴巴拉分校。它的使命是促进跨学科合作，在纳米科学和纳米技术领域，培养新一代的科学家、教育家和技术的领导者，产生与产业界的合作伙伴关系，并有助于加利福尼亚州、美国和世界经济的发展和社会福祉。美国加州纳米技术研究院成立于2000年，最早是获得加利福尼亚州的1亿美元成立的。美国加州纳米技术研究院成员获得的纳米科学和纳米技术的科研经费总量已超过9亿美元。加州大学洛杉矶分校的加州纳米技术研究院的成员来自加州大学洛杉矶分校的大卫格芬医学院、牙科学院、学校公共卫生和亨利萨缪理工程和应用科学学院（the School of Public Health and the Henry Samueli School of Engineering and Applied Science）。他们所从事的测量、修改和操纵原子和分子技术是我们世界发展的基石。他们的工作是在一个集成的实验室环境中进行的。这种动力学的研究设置加强了人们在纳米尺度现象上的理解，并有望在健康、能源、环境和信息技术领域展开更进一步的发展。