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大米工程师设计灵活和可堆叠的激光诱导石墨烯超级电容器
发布日期:2018-05-16

莱斯大学的最新研究详细介绍了用激光诱导石墨烯制作的三维超级电容器的设计和测试。 /

赖斯大学的科学家通过生产和测试堆叠的三维超级电容器,对便携式柔性电子设备非常重要的能量存储设备,推动了他们最近开发的激光诱导石墨烯(LIG)。

去年,化学家James Tour的赖斯实验室发现,在廉价的聚合物上发射激光烧去了其他元素,并留下了一层多孔石墨烯 - 一种研究得很深的原子厚碳晶格。研究人员将多孔导电材料视为超级电容器或电子电路的理想电极。

为了证明这一点,Tour组的成员已经延伸他们的工作,在聚合物片材的两面制作垂直排列的超级电容器,激光诱导石墨烯。然后将这些部分与中间的固体电解质堆叠起来以形成具有多个微型超级电容器的多层夹层结构。

灵活的堆栈显示出优异的储能容量和动力潜力,可以扩大用于商业应用。 Tour说道,LIG可以在环境温度下在空气中进行制备,也许可以通过卷对卷工艺进行工业生产。

这项研究本周在Applied Materials and Interfaces上报道。

例如,电容器使用静电电荷来将其能够快速释放的能量存储到相机的闪光灯中。与基于化学的可充电电池不同,电容器充电速度快,并在触发时立即释放所有能量。但化学电池具有更多的能量。超级电容器将两者的有用特性 - 电容器的快速充电/放电和电池的高能量容量 - 组合成一个封装。

LIG超级电容器似乎能够做到所有这些都具有灵活性和可扩展性的附加优势。这种灵活性确保了它们可以轻松符合不同的包装 - 例如,它们可以在圆筒内滚动 - 而不会放弃任何设备的性能。

“我们所做的与现在正在商业化的微型超级电容器相媲美,但我们将设备置入3-D配置的能力使我们能够将它们很多装入很小的区域,”Tour说。 “我们只是把它们叠起来。

“另一个关键是我们很简单地做这件事。这个过程没有什么需要一个干净的房间。它是在商业激光系统上完成的,正如在常规机器商店中,在露天中一样。“

表面上的涟漪,皱纹和亚10纳米孔隙以及原子级缺陷使LIG能够存储大量能量。但石墨烯保留了快速移动电子的能力,并为其提供了超级电容器的快速充放电特性。在测试中,研究人员对器件进行充电和放电数千次,几乎没有电容损失。

为了展示他们的超级电容器应用的规模,研究人员将串联和并联的各种设备连接起来。正如预期的那样,他们发现串行设备的工作电压是工作电压的两倍,而平行电路在相同的电流密度下的放电时间加倍。

垂直超级电容器弯曲时的电气性能几乎没有变化,即使经过8,000次弯曲循环后。

巡回表示,尽管薄膜锂离子电池能够储存更多能量,但相同尺寸的LIG超级电容器可提供三倍的功率性能(能量流动速度)。 LIG器件可以轻松扩展以提高容量。

他说:“我们已经证明,这些将成为柔性电子产品的优秀组件,不久将嵌入到服装和消费品中。”

水稻研究生彭志伟和前研究员林健,现在是密苏里大学的助理教授,是该论文的共同主要作者。共同作者是Rice研究生叶若泉和Errol Samuel。 Tour是T.T.和W.F. Chao化学系主任,材料科学与纳米工程教授,计算机科学教授,Richard E. Smalley纳米科学与技术研究所成员。

空军科学研究办公室及其多学科大学研究计划(MURI)和海军研究所MURI办公室支持这项研究。

出版物:Zhiwei Peng等人,“Flexible and Stackable Laser Induced Graphene Supercapacitors”,ACS Applied Materials&Interfaces,2015; DOI:10.1021 / am509065d

来源:莱斯大学Mike Williams

图片:由Tour Group提供