电化学电容器(EC)，也称为超级电容器或超级电容器，与您在电视或计算机中找到的常规电容器的不同之处在于它们可以存储更高的电荷量。它们作为储能装置引起了人们的注意，因为它们比电池更快地充电和放电，但它们仍然受到低能量密度的限制，这只是电池能量密度的一小部分。将电容器的功率性能与电池的高能量密度相结合的EC将代表能量存储技术的显着进步。这需要新的电极，其不仅保持高导电性，而且与使用活性炭电极的常规EC相比，还提供更高且更易接近的表面积。
现在，加州大学洛杉矶分校的研究人员使用标准的LightScribe DVD光驱来生产这种电极。电极由石墨烯的膨胀网络组成 - 石墨烯是一个原子厚度的石墨碳层 - 具有优异的机械和电气性能以及极高的表面积。
来自化学与生物化学系，材料科学与工程系以及加利福尼亚纳米系统研究所的加州大学洛杉矶分校研究人员展示了高性能石墨烯电化学电容器，该电容器在高机械应力下保持优异的电化学特性。该论文发表在“科学”杂志上。
该过程基于在DVD盘上涂覆氧化石墨膜，然后在LightScribe DVD驱动器内进行激光处理以生产石墨烯电极。通常，能量存储装置的性能由两个主要数字评估，即能量密度和功率密度。假设我们正在使用该设备来运行电动汽车 - 能量密度告诉我们汽车可以进行多次充电，而功率密度告诉我们汽车可以达到多快。这里，用激光Scribe石墨烯(LSG)电极制造的器件在不同电解质中表现出超高能量密度值，同时保持EC的高功率密度和优异的循环稳定性。此外，这些EC在高机械应力下保持优异的电化学属性，因此有望用于高功率，柔性电子器件。
“我们的研究表明，我们的新型石墨烯超级电容器可以存储与传统电池一样多的电量，但可以快速充电和放电一百到一千倍，”化学与材料科学与工程教授Richard B. Kaner说。
“在这里，我们提出了一种通过简单的全固态方法生产高性能石墨烯EC的策略，该方法避免了石墨烯片的重新堆叠，”该研究的主要作者Maher F. El-Kady说。卡纳实验室的研究生。
研究小组制造的LSG电极没有活性炭电极的问题，迄今为止限制了商用EC的性能。首先，LightScribe激光引起石墨氧化物的同时还原和剥落，并产生具有更高且更易接近的表面积的LSG的开放网络。这导致LSG超级电容器具有相当大的电荷存储容量。电极的开放网络结构有助于最小化电解质离子的扩散路径，这对于装置充电是至关重要的。这可以通过易于接近的平坦石墨烯片来解释，而活性炭的大部分表面积存在于限制离子扩散的非常小的孔中。
此外，与活性炭(10-100 S / m)相比，LSG电极具有机械强度并显示出高导电率(> 1700 S / m)。这意味着LSG电极可以直接用作超级电容器电极，而不需要像传统活性炭EC那样的粘合剂或集电器。此外，这些特性允许LSG充当EC中的活性材料和集电器。两个功能在单个层中的组合可实现简化的架构，并使LSG超级电容器具有成本效益的设备。
可商购的EC由夹在两个电极之间的隔板组成，所述电极具有液体电解质，所述液体电解质螺旋缠绕并包装到圆柱形容器中或堆叠成纽扣电池。遗憾的是，这些器件架构不仅遭受电解质可能的有害泄漏，而且它们的设计使得难以将它们用于实际的柔性电子器件。
研究小组用聚合物凝胶电解质取代了液体电解质，该电解质也起到隔膜的作用，进一步减少了器件的厚度和重量，简化了制造工艺，因为它不需要特殊的包装材料。
为了在实际条件下评估这种全固态LSG-EC用于灵活存储的潜力，研究团队将设备置于恒定的机械应力下以分析其性能。有趣的是，这对设备的性能几乎没有影响。
“我们将高性能和耐用性归功于电极的高机械灵活性以及LSG电极和凝胶电解质之间的互穿网络结构，”Kaner解释道。“电解液在装置组装过程中固化，并像胶水一样将设备组件固定在一起。”
即使在极端条件下进行测试，该方法也可提高机械完整性并延长设备的使用寿命。
由于这种卓越的性能尚未在商用设备中实现，这些LSG超级电容器可以为下一代柔性便携式电子产品引领理想的储能系统。