一种经济高效的基于微级石墨烯的超级电容器的制造方法

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Kaner和El-Kady的微型超级电容器

UCLA的科学家开发了一种新技术,它使用DVD燃烧器来制作微尺度石墨烯.基于超级电容器,可以比标准电池快速充电和放电一百至一千次。

虽然对更小的电子设备的需求刺激了各种技术的小型化,但有一个领域在这场小型化革命中落后了:储能单元,如电池和电容器。

现在,加州大学洛杉矶分校(UCLA)的加州纳米系统研究所(California NanoSystems Institute)的成员、化学和生物化学教授理查德•卡纳(Richard Kaner)yabovip2021和卡纳实验室的研究生马赫•艾尔-卡迪(Maher El-Kady)可能改变了游戏规则。

加州大学洛杉矶分校的研究人员开发了一项突破性的技术,利用DVD刻录机制造微型石墨烯超级电容器——这种设备的充放电速度比标准电池快100到1000倍。这些微型超级电容器,由一个原子-Thick的石墨碳层,可以容易地制造和容易地集成到诸如下一代起搏器的小型器件中。


Kaner和El-Kady讨论他们的微型超级电容器背后的技术(2012年12月)

在一项研究中描述了一种新的经济有效的制造方法本周在自然通信期刊上发表,拥有承诺对这些超级电容器的大规模生产,这具有转换电子产品和其他领域的潜力。

“储能单元与电子电路的集成具有挑战性,经常限制整个系统的微型化,”Kaner说,他也是加州大学洛杉矶分校Henry Samueli工程与应用科学学院的材料科学与工程教授。“这是因为必要的储能组件在尺寸上缩小得很糟糕,不适合大多数集成制造过程的平面几何形状。”

El-Kady说:“制造微型超级电容器的传统方法涉及劳动密集型的光刻技术,但事实证明,这种技术很难制造出具有成本效益的器件,因此限制了其商业应用。”“相反,我们使用一种消费级LightScribe DVD刻录机来生产大面积石墨烯微型超级电容器,成本仅为传统设备的一小部分。使用这种技术,我们已经能够在不到30分钟的时间里在一个光盘上生产100多个微型超级电容器,使用的是廉价的材料。”

小型化的过程往往依赖于扁平化技术,使设备更薄,更像只有两个维度的几何平面。在开发他们的新型微型超级电容器时,Kaner和El-Kady使用了一种二维的碳薄片,即石墨烯,在第三维度上只有单个原子的厚度。

Kaner和El-Kady在制造过程中利用了一种新的结构设计。对于任何有效的超级电容器,必须定位两个分离的电极,使得它们之间的可用表面积最大化。这允许超级电容器存储更大的电荷。以前的设计将石墨烯层堆叠为电极,如三明治上的面包片。然而,这种设计功能是功能,而且它与集成电路不兼容。

在新的设计中,研究人员使用间隔的图案将电极并排放置,类似于交织的手指。这有助于最大化用于两个电极中的每一个的可访问表面积,同时还减少了电解质中离子需要漫射的路径。因此,新超级电容器具有比其堆叠的对应物更多的充电容量和速率能力。

有趣的是,研究人员发现,通过每单位面积放置更多电极,他们提升了微型超级电容器的存储能力。

Kaner和El-Kady能够使用他们早先开发的实惠且可扩展的技术来制造这些复杂的超级电容器。它们将一层塑料粘在DVD的表面上,然后用一层石墨氧化物涂覆塑料。然后,它们只是将涂层盘插入市售的光驱 - 传统上用于标记DVD - 并利用驱动器自己的激光来创建互联模式。激光划线是如此精确的是,没有一个“交织手指”彼此接触,这将短路超级电容器。

“要使用Lightscribe标记光盘,盘的表面涂有反应性染料,可在暴露于激光时改变颜色。我们的方法代替在这种专业涂层上印刷,是用石墨氧化物涂层涂抹光盘,然后可以直接印刷,“Kaner说。“我们以前发现了一种不寻常的光热效果,其中石墨氧化物吸收激光,并以类似的方式转换成石墨烯,以与商业光标相似。随着激光的精度,驱动器将计算机设计的图案呈现到石墨氧化物膜上以产生所需的石墨烯电路。“

“这个过程很简单,成本效益,可以在家中完成,”El-Kady说。“一个只需要在水中的DVD燃烧器和石墨氧化物分散体,其以适度的成本商购获得。”

这种新型的微型超级电容器具有高度的可弯曲性和可扭转性,这使得它们有可能成为柔性电子产品的储能设备,比如可卷起的显示器和电视、电子纸,甚至是可穿戴电子产品。

研究人员展示了新的激光划线石墨烯微型超级电容器以全固体形式的效用,这将使任何一种新的器件更容易成型和柔韧。微型超级电容器也可以使用相同的技术直接在芯片上制造,使得它们非常有用,可用于集成到微机电系统(MEMS)或互补金属氧化物 - 半导体(CMOS)中。

这些微型超级电容器表现出极佳的循环稳定性,这是微型电池的一个重要优势。微型电池寿命较短,在嵌入永久性结构(如生物医学植入物、主动射频识别标签和嵌入式微型传感器)时可能会造成重大问题无法进行维护或更换。

由于它们可以直接集成在片上,这些微型超级电容器可能有助于更好地从太阳能,机械和热源提取能量,从而制造更有效的自动系统。它们也可以在便携式设备和屋顶安装的太阳能电池的背面制造,以存储在日落后使用的日落期间产生的电源,有助于在与网格连接时提供围绕时钟的电力。

“我们现在正在寻找行业合作伙伴来帮助我们大规模生产石墨烯微型超级电容器,”Kaner说。

出版物:Maher F. El-Kady&Richard B. Kaner,“高功率石墨烯微型超级电容器的可扩展制造,用于灵活和片上能量存储,”自然通信4,“产品编号:1475;DOI:10.1038 / ncomms2446

图片:加州大学洛杉矶分校新闻编辑室

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