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電力輸送和儲存技術的進步對於電動汽車的未來以及在其他方面減少對燃燒化石燃料產生的能源的依賴至關重要。然而,一種能夠快速充電和放電,同時還能儲存大量能量的強大電子裝置執行方式長期以來一直困擾著科學家。
由於一項新的研究,這種困境可能正在改變。來自加州大學洛杉磯分校 (UCLA) 和埃及開羅大學的一個團隊在3月16日出版的《科學》雜誌上描述了一種新的基於雷射的技術,用於製造柔性、耐用且高導電性的電化學電容器——也稱為超級電容器或超電容器——由石墨烯製成。電化學電容器能夠很好地處理頻繁的充電/放電迴圈,但一直無法儲存大量能量。(鋰離子電池和其他傳統電池可以儲存大量能量,但壽命週期短,並且充滿了已知在某些條件下會著火的危險化學物質。)
使用石墨烯(一種單原子厚的石墨薄片)製成的電化學電容器,幾年前開始顯示出提高儲存容量的潛力。與堆疊在一起成為一塊石墨時相比,單個石墨烯片創造了更大的表面積。這種更大的表面積增加了能量儲存容量。然而,石墨烯片之間強大的靜電吸引力使得石墨烯成為一種難以加工的材料,因為它往往會導致它們重新堆疊回其原始石墨形式。
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研究人員由加州大學洛杉磯分校博士候選人兼開羅講師Maher El-Kady 和加州大學洛杉磯分校化學與生物化學以及材料科學與工程系的教授 Richard Kaner 領導,他們找到了一種避免這種重新堆疊的方法。他們用塑膠片覆蓋普通光碟,用氧化石墨塗覆塑膠片,並使用 LightScribe DVD 光碟機區域性加熱塗層,將其變成石墨烯薄膜,這種薄膜可以以高度可逆的電形式儲存能量,這對於許多當前和新興應用非常重要。
研究人員表示,由雷射刻寫石墨烯製成的電極也可以彎曲,而其電氣特性沒有任何明顯變化。這不僅為改進電化學電容器帶來了希望,也為柔性裝置帶來了希望,例如可捲曲的計算機顯示器和鍵盤以及可穿戴電子產品。
JME, Inc. 總裁 John Miller 觀察到,這種薄型、高度柔性的儲能裝置可能會催生織物電化學電容器,用於儲存收集到的身體運動能量,這可能對製造帶有嵌入式電子裝置的服裝或軍裝有用。JME, Inc. 是一家位於俄亥俄州比奇伍德的公司,為電化學電容器製造商提供工程、效能測試和其他服務,在《科學》報告的評論中指出。Miller 補充道,想象一下無需駕駛員撥動開關即可加熱的汽車座椅,或者可以根據照明條件改變圖案或亮度的電子桌布。
圖形演示了石墨烯透過與電化學電容器中的離子相互作用來儲存電能的能力,圖片由 Science/AAAS 提供