@ 2015.10.02 , 13:00

像DVD一样能印制的新电源

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加州大学洛杉矶分校的一个小组用一台简单的DVD刻录机打造出单原子厚度的石墨烯薄片,并用它形成微型超级电容阵列,和电池一起,这样的超级电容器能让手机跑上好几天。而因为这个阵列不到10微米厚——比人发细微得多——它完全是柔性的。在柔性基板上建造这些阵列,它们就能给卷轴显示器供电。

所有这些东西都能以低成本完成。他们的制造工艺可以很容易地扩大规模,而且微型超级电容可以轻易集成进硅芯片里。

这种新元件结合了激光雕刻石墨烯(LSG)——这是一种能容纳电荷的导电性非常好的材料,充放电很快——和二氧化锰,它因为能维持大量电量并且廉价丰富,目前应用在碱性电池里。

他们的混合设备结合了电容和电池的最佳特性。混合体可以在几分钟时间内充满,却又具有高达商用微型电池10倍的能量密度。该混合设备厚度仅为一张纸的五分之一,其面积大小可以从几平方微米到厘米级不等。厘米级设备将有400至1000毫法拉范围的电容——足够给一只LED手电筒供电数小时。

该设计也避免了今天电源的主要挑战之一:电解液泄漏。电池和传统超级电容使用高度腐蚀性液体来发挥功能,当设备老化,这种液体有时会逸出腐蚀电路和周边元件。结果就是故障,有时甚至是起火。他们的微型超级电容使用全固态电解质,直接涂敷到相互交错的图案上。

对于这种固体电解质他们有多种选择。可以通过膨胀带电解质溶液的聚合物基体制备凝胶型聚合物电解质,或者可以加入聚合物或二氧化硅纳米粉末将离子液体固化。这种防泄漏设计加上几乎无限的充放电周期,意味着他们的微型超级电容很可能比芯片上所有其他电子设备寿命更久。在打开来更换电源不方便或危险的地方这种长寿命会尤其有用,例如心脏起搏器、去纤颤器,和其他医疗植入物。

作者一次性生产出许多个超级电容器,用的只是一台光雕光驱,价钱和好点的剃须刀一样贵。每个设备由石墨酸电介质隔开的石墨烯电极构成,再加上一滴电解质。

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作者们首先把一个塑料基板粘在一张标准光盘上。

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接下来,他们在塑料上涂敷石墨酸,它传导离子但不传导电子。这使得它成为电容器电极间的优良电介质。

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然后他们将光盘插入一台光雕光驱,它的激光通常用于刻写DVD标签,现在用来把某些石墨酸刻写为石墨烯电极。

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交错的电极设计使界面最大化,电容也随之最大化。加一滴电解液将它变成超级电容器。

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印刷超级电容混合电池就像烧录一张DVD

他们现在能在30分钟内在一张光盘上生产出100个这种设备,而且改进的空间还很大。当然,制造商可以简单粗暴地堆满一屋子DVD机并行运行来提高速度,更好的则是用工业规格的激光刻录器来为批量生产优化刻录机,这目前在工业上广泛用于标记产品以供事后追踪。这种激光刻录机可以建造在大卷石墨酸的传送带系统上。

传统电容器是由两块金属板被一个绝缘薄层隔开制成的,它在由两个带相反电荷的极板产生的电场中用静电存储电量,能存储多少电量取决于设备的电容,它是其中一个金属极板的面积(通常小于一平方米)除以它们间距离(通常约一微米或更小)的函数。因此,要增加电量你必须最大化面积并最小化间距。

超级电容通过借鉴一点电池技术来最小化这个间距——电解液。超级电容器被定义为双电层电容器。

洛杉矶初创公司Nanotech Energy正在探索这些设备的商业应用,它们在照相手机、RFID和太阳能电池中找到应用前批量生产和设备单价还需要改进。随着摩尔定律全面生效,超级电容会缩小到看不到。正如电子工程师们都深知的,在底层有足够空间

本文译自 IEEE Spectrum via NextBigFuture,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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