莱斯工程师设计了可堆叠的柔性激光诱导石墨烯超级电容器
电子显微镜图像显示了激光诱导的石墨烯在聚酰亚胺衬底两面都被烧掉的截面。莱斯大学创造的柔性材料具有用于电子或储能的潜力。
赖斯大学的一项新研究详细介绍了由激光诱导的石墨烯制成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，能量存储设备来促进激光诱导石墨烯（LIG）的最新开发，这对于便携式，柔性电子产品很重要。
化学家詹姆斯·图尔（James Tour）的赖斯实验室去年发现，用一种廉价的聚合物发射激光会烧掉其他元素，并留下一层多孔石墨烯薄膜，而石墨烯是人们广泛研究的碳原子厚晶格。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小组的成员自那以后就扩大了工作，以在聚合物片材的两面上使用激光诱导的石墨烯制造垂直排列的超级电容器。然后将这些部分与固体电解质堆叠在一起，以形成带有多个微型超级电容器的多层三明治。
柔性堆叠具有出色的储能能力和功率潜力，并且可以按比例放大以用于商业应用。Tour说，LIG可以在环境温度下的空气中制造，也许可以通过卷对卷工艺进行工业生产。
该示意图显示了莱斯大学科学家开发的利用激光诱导的石墨烯制造垂直微型超级电容器的过程。柔性设备具有在可穿戴和下一代电子产品中使用的潜力。
这项研究已于本周在《应用材料和界面》上进行了报道。
电容器使用静电荷存储能量，它们可以快速释放能量，例如，释放到相机的闪光灯。与基于化学的可充电电池不同，电容器在触发时会快速充电并立即释放所有能量。但是化学电池拥有更多的能量。超级电容器将电容器的快速充电/放电和电池的高能量容量这两者的有用品质结合在一个包装中。
LIG超级电容器似乎能够通过灵活性和可扩展性的其他优势来完成所有这些工作。灵活性确保它们可以轻松适应各种包装（例如，它们可以在圆柱体内滚动）而不会损失任何设备性能。
Tour说：“我们制造的产品可与现在正在商业化的微型超级电容器相媲美，但是我们将设备置于3D配置中的能力使我们能够将很多设备包装在很小的区域中。”“我们只是将它们堆叠起来。
“另一个关键是我们要做的非常简单。整个过程都不需要洁净室。这是在商业激光系统上完成的，就像在常规的机械车间中那样，都是在露天进行的。”
LIG表面的波纹，皱纹和低于10纳米的孔以及原子级的缺陷使LIG能够存储大量能量。但是石墨烯保留了其快速移动电子的能力，并赋予了它超级电容器的快速充电和释放特性。在测试中，研究人员对设备进行了数千次充电和放电，几乎没有电容损失。
为了显示其超级电容器在应用中的扩展能力，研究人员将各种设备的双绞线以串行和并行方式进行了布线。正如预期的那样，他们发现串行设备在相同的电流密度下提供了两倍的工作电压，而并行设备则使放电时间增加了一倍。
垂直超级电容器弯曲后即使在8,000次弯曲循环后，电气性能也几乎没有变化。
图尔说，尽管薄膜锂离子电池能够存储更多的能量，但相同尺寸的LIG超级电容器的功率性能（能量流过的速度）却是其三倍。LIG设备可以轻松扩展以增加容量。
他说：“我们已经证明，这些将成为很快将被嵌入服装和消费品中的柔性电子产品的极佳组件。”
莱斯大学的研究生彭志伟和以前的博士后研究员林健（现在是密苏里大学的助理教授）是该论文的共同主要作者。合著者是赖斯研究生叶如泉和埃罗尔·塞缪尔。Tour是T.T.和W.F.Chao担任化学主席，同时还是材料科学和纳米工程学以及计算机科学的教授，并且是Richard E. Smalley纳米级科学技术研究所的成员。
空军科研办公室及其多学科大学研究计划（MURI）和海军研究办公室MURI支持了这项研究。
出版物：Peng Zhiwei等，“柔性和可堆叠激光诱导石墨烯超级电容器”，ACS应用材料与接口，2015年； DOI：10.1021 / am509065d
图片：由旅游团提供
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