科学家开发石墨烯硅超级电容器

具有多孔表面的硅芯片在特殊炉子旁边，其中涂有石墨烯以产生超级电容器电极。

Vanderbilt Universy的材料科学家们已经开发出由硅制成的第一个超级电容器的材料科学家使用多孔硅。

产生电力的太阳能电池24/7，而不仅仅是太阳闪耀的时候。带内置电池的手机，可在几秒钟内充电，电荷之间的数周。

这些只是由Vanderbilt大学的材料科学家发明的小型超级电容器设计提出的两种可能性，这些超级电容器设计于10月22日发表的杂志上发表的杂志。

它是第一硅制成的第一超级涂物，所以它可以内置在硅芯片中以及其功率的微电子电路。事实上，应该可以将这些电力电池从多个硅中构造出在当前产生的太阳能电池，传感器，移动电话和各种其他机电装置中存在，提供相当大的节省。

“如果你要求专家了解硅的超级电容器，他们会告诉你这是一个疯狂的想法，”领导发展的机械工程教授Cary Pint说。“但我们发现了一种简单的方法。”

而不是将能量存储在化学反应中，通过在多孔材料表面上组装离子组装离子来储存电储存电。结果，它们倾向于在几分钟内充电和放电，而不是小时，并运行几百万次，而是电池等几千个周期。

这些性质允许商业超级电容器，该商业超级电容器由活性炭制成，以捕获一些利基市场，例如将通过再生制动系统捕获的能量存储在公共汽车和电动车辆上，并提供调节叶片所需的电力突发巨型风力涡轮机改变风条件。SuperCapacitors仍然落后于锂离子电池的电能存储能力，因此它们太笨重而且为大多数消费者提供电源。然而，他们一直在迅速赶上。

图表显示由多孔硅（P-Si），石墨烯涂层多孔硅和碳基商用电容器制成的电容器的电力密度（每千克）和能量密度（每千克）电容器。（Cary Pint / Vanderbilt）

提高超级电容器能量密度的研究专注于石墨烯和纳米管等碳基纳米材料上。因为这些器件在其电极表面上存储电荷，所以提高它们的能量密度的方式是增加电极表面积，这意味着制造填充有纳米脊柱和孔的表面。

“这种方法的大挑战是组装材料，”品脱说。“构造高性能的功能装置，其中包含任何水平的纳米级构建块已经被证明是非常具有挑战性的，并且当实现时，难以重复。”

所以品脱和他的研究团队 - 研究生兰康奥克斯，安德鲁·韦斯顿和博士后同胞沙巴聊天 - 决定采取完全不同的方法：采用多孔硅，一种具有可控和明确的纳米结构的材料，通过电化学蚀刻表面进行可控且明确的纳米结构硅晶片。

这允许它们为超级电容器电极产生最佳纳米结构的曲面，但它将它们留下了一个主要问题。硅通常被认为是不适合在超级电容器中使用的，因为它随着物质中的一些化学物质容易地反应，其提供存储电荷的离子。

随着碳纳米结构的经验，品脱的组决定试图用碳涂覆多孔硅表面。“我们不知道会发生什么，”品脱说。“通常，研究人员在超过1400摄氏度的温度下从碳化硅材料中生长石墨烯。但在较低的温度下 - 600至700摄氏度 - 我们肯定没有预期石墨烯的材料生长。“

当研究人员从炉子中拉出多孔硅时，他们发现它从橙色转向紫色或黑色。当他们在一个强大的扫描电子显微镜下检查它时，他们发现它看起来几乎与原始材料相同，但它被几纳米厚的石墨烯涂覆。

当研究人员测试了涂覆的材料时，他们发现它已经在化学稳定的硅表面上。当他们使用它来制造超级电容器时，它们发现，与由未涂覆多孔硅制成的那些，石墨烯涂覆超过两个数量级，并且比商业超级电容器显着更好地改善了超过两个数量级。

石墨烯层用作原子薄的保护涂层。品脱和他的小组认为这种方法不仅限于石墨烯。他说：“用原子薄材料层工程曲面的能力与设计多孔材料所达到的控制相结合，为多个不同的应用程序提供了超出储能的机会，”他说。

“尽管我们实现了优秀的设备性能，但我们的目标不是创建具有记录性能的设备，”Pint说。“它是开发一条集成储能的路线图。硅是一个专注的理想材料，因为它是我们的现代技术和应用的基础。此外，现有设备中的大多数硅保持未使用，因为它非常昂贵，浪费生产薄硅晶片。“

品脱的小组目前正在使用这种方法来开发能量存储，该储能可以形成在多余材料中或太阳能电池和传感器的未使用后侧。超级电容器将储存过量的电力，即在午间在中午产生的电力，并在下午的需求峰值时释放它。

“在现代环境中定义我们的所有事情都需要电力，”品脱说。“我们可以将蓄电池集成到现有材料和设备中的越多，它们将变得更加紧凑和高效。”

研究助理杰里米·梅雷斯，研究生埃尔文，化学与生物分子工程助理教授莱迪亚·贝加山和电气工程和计算机科学副教授沙龙威斯副教授也促进了由国家科学基金会授予CMMI 1334269和EPS 1004083资助的研究。陆军研究办公室授予W911BF-09-1-0101。

出版物：Landon Oakes等，“表面工程多孔硅，用于稳定，高性能电化学超级电容器，科学报告3，物品编号：3020; DOI：10.1038 / SREP03020

图像：Joe Howell / Vanderbilt; Cary Pint / Vanderbilt