柔性襯底:這些扁平的超級(jí)電容器可以直接安裝在微電路上，如果需要的話，它們甚至可以彎曲。照片：MAHER EL-KADY/加州大學(xué)洛杉磯分校
電容器。打開你的電腦，它們就像沙灘上的巖石一樣突出。它們是一種從未真正被微型化的電子設(shè)備。如果它們最終遵從摩爾定律，將自身壓縮到微觀尺度，那么電子工程師的生活就會(huì)輕松很多。
使用微小但功能強(qiáng)大的電容器，就可以制造更便宜、更小巧的心臟起搏器和計(jì)算機(jī)。它們?cè)诜且资源鎯?chǔ)器、微傳感器和執(zhí)行器、RFID標(biāo)簽和微電子機(jī)械系統(tǒng)等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用價(jià)值，在這些應(yīng)用中，電源的重量可達(dá)其他部件總和的 10 倍。并且因?yàn)榕c所有電容器一樣，此類設(shè)備能夠非?？焖俚蒯尫烹姾?，因此它們可以與高能電池結(jié)合使用以提供周期性電涌，就像傳統(tǒng)電容器為智能手機(jī)相機(jī)中的閃光燈供電一樣。（小型化的超級(jí)電容器因此可以使智能手機(jī)變得更薄。）
加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的小組使用簡(jiǎn)單的 DVD 刻錄機(jī)制造出了這種微超級(jí)電容器，用單原子厚的石墨烯薄片，這些器件就在石墨烯薄片上陣列成型。再加上電池，這樣的超級(jí)電容器可以讓手機(jī)運(yùn)行好幾天。而且由于陣列的厚度不到 10 微米——遠(yuǎn)比人的頭發(fā)細(xì)——它是完全靈活的。在柔性基板上構(gòu)建這些陣列，它們可以為一個(gè)卷起來(lái)的顯示器提供動(dòng)力。
所有這些工藝都可以以低成本完成。我們的制造方法可以很容易地?cái)U(kuò)大規(guī)模，我們的微型超級(jí)電容器可以很容易地集成到硅芯片上。在許多情況下，它們可以彌補(bǔ)電池固有的弱點(diǎn)，例如相對(duì)較慢的功率傳輸和較長(zhǎng)的充電時(shí)間。因此，即使在這些設(shè)備無(wú)法替代電池的應(yīng)用中，它們也會(huì)極大地增強(qiáng)它們。
用數(shù)十個(gè)超級(jí)電容器平鋪光盤
作者一次生產(chǎn)了許多超級(jí)電容器，每個(gè)裝置由石墨氧化物絕緣體隔開的石墨烯電極組成，電極頂部有一滴電解液。
首先，作者將塑料基板粘在標(biāo)準(zhǔn)DVD上。
接下來(lái)，他們?cè)谒芰媳砻嫱可涎趸?，這種材料能傳導(dǎo)離子，但不能傳導(dǎo)電子。這使其成為電容器電極之間的極好電介質(zhì)。
然后他們將光盤插入到一個(gè)激光刻錄機(jī)中，該刻錄機(jī)的激光通常會(huì)在dvd上蝕刻標(biāo)簽。在這里，它將一些氧化石墨蝕刻到石墨烯電極中。
交錯(cuò)電極設(shè)計(jì)使接口和電容最大化。一滴電解液就能把它變成超級(jí)電容器。
插圖來(lái)源：James Provost
以鉛酸電池為例。如果摩爾定律一直適用于半導(dǎo)體，那么一個(gè)功能齊全的汽車電池現(xiàn)在應(yīng)該只有一個(gè)紅細(xì)胞那么大。但這項(xiàng)發(fā)明于 1859 年的技術(shù)早已成熟。鎳鎘電池和鎳金屬氫化物電池技術(shù)最近才成熟，但它們的功率和能量密度也接近其理論極限。即使是自 1990 年代初以來(lái)能量密度增加了兩倍的鋰離子電池，其技術(shù)增長(zhǎng)也已接近尾聲。
電池不能遵循摩爾定律，因?yàn)闆](méi)有一種已知材料可以將巨大的電荷壓縮到一個(gè)小體積里。我們現(xiàn)有的微電池價(jià)格昂貴，因?yàn)樗鼈兊闹圃爝^(guò)程復(fù)雜且耗時(shí)。我們也不可能從已經(jīng)提出的各種能源收集計(jì)劃中找到拯救；它們只是沒(méi)有為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師提供必要的性能和可靠性。
但是電容器提供了另一種形式的存儲(chǔ)。我們已經(jīng)找到了一種方法讓他們搭上摩爾定律的順風(fēng)車。
傳統(tǒng)的電容器是由兩個(gè)由薄絕緣層隔開的金屬板制成的。它在兩個(gè)帶相反電荷的極板產(chǎn)生的電場(chǎng)中以靜電方式存儲(chǔ)電荷。能儲(chǔ)存多少電荷是由器件的電容決定的。它是一個(gè)金屬板的面積（通常小于一平方米）除以它們之間的間距（通常約為一微米或更小）的函數(shù)。因此，要增加電荷，你必須使面積最大化，使距離最小化。
超級(jí)電容器借用了一點(diǎn)電池技術(shù)——電解液——來(lái)減少距離。超級(jí)電容器定義為電雙層電容器。它由兩個(gè)浸有液體電解質(zhì)的電極組成，并由離子滲透層隔開，以防止電極之間的短路。當(dāng)施加電壓時(shí)，電解液中的離子移動(dòng)到電荷相反的電極表面。電荷聚集在電極和電解質(zhì)之間的界面上，形成兩層帶電層或電雙層，它們之間僅相隔一納米左右。
我們的超級(jí)電容器形式還改善了面積，這是另一個(gè)變量。石墨烯的原子厚的片層具有最高的表面積與體積比：一克石墨烯可以鋪平 2630 平方米。再加上 1 納米的電荷分離，它產(chǎn)生的電容是普通陶瓷電容器的 100 萬(wàn)倍，是典型電解電容器的 10000 倍。
我們對(duì)能量?jī)?chǔ)存的興趣可以追溯到20世紀(jì)80年代早期，在加州大學(xué)伯克利分校的 Neil Bartlett 實(shí)驗(yàn)室，我們中的一個(gè) (Kaner) 是一名博士后學(xué)者，致力于研究新型石墨。這種類型的碳被廣泛應(yīng)用于鋰離子電池，因?yàn)樗阋?，?dǎo)電性高，并能有效存儲(chǔ)鋰離子。然而，其較低的表面積與質(zhì)量比限制了其儲(chǔ)存電荷的能力。但這給了 Bartlett 一個(gè)主意：制造一種“多孔”石墨，其表面積需要儲(chǔ)存大量電荷。不幸的是，他的伯克利團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種在原子尺度上鉆 3D 孔的自上而下的想法。
我們花了30年的時(shí)間，最終在加州大學(xué)洛杉磯分校的實(shí)驗(yàn)室用自下而上的方法解決了這個(gè)問(wèn)題。我們從單獨(dú)的氧化石墨片開始，這是一種有150年歷史的親水性材料，因此很容易在水中加工成薄膜或涂在幾乎任何基材上。幾年前，我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)用強(qiáng)激光照射氧化石墨，我們可以以二氧化碳的形式將氧蒸發(fā)，留下一種三維形式的石墨烯——多孔石墨。本質(zhì)上，我們將二維石墨烯片組裝成一個(gè)宏觀的三維網(wǎng)絡(luò)，看起來(lái)就像波瓦楞紙板。
這種波紋碳具有非凡的特性。我們發(fā)現(xiàn)，電子在3D石墨烯中的移動(dòng)速度是用于電池的石墨的100倍，是最先進(jìn)的碳納米管的10倍。這種快速性意味著超級(jí)電容器可能是一個(gè)極好的應(yīng)用。
我們還有一個(gè)技術(shù)問(wèn)題需要解決:幾何。傳統(tǒng)的超級(jí)電容器由垂直堆疊的電極對(duì)組成，就像高層建筑的樓層一樣，但大多數(shù)集成系統(tǒng)都是平面布局的，因此只能容納單層結(jié)構(gòu)。我們需要一種能夠以與現(xiàn)代微電子學(xué)兼容的方式制造的平面幾何結(jié)構(gòu)。
易于應(yīng)用：不需要離子沉積機(jī)，只需手工操作的吸管就可以在光盤上涂上氧化石墨。
圖片:maher el-kady / ucla (4)
我們?cè)?LightScribe 中找到了解決方案，這是一種廉價(jià)、現(xiàn)成的激光技術(shù)，數(shù)百萬(wàn)人已經(jīng)使用它在光盤上蝕刻標(biāo)簽和設(shè)計(jì)。然而，我們沒(méi)有使用涂有活性染料的光盤，這種染料在激光照射下會(huì)改變顏色，而是使用了一層非常薄的氧化石墨涂層。激光加熱氧化物，在精確定義的軌道上將其轉(zhuǎn)化為石墨烯，間隔一微米。這些是電極。在中間我們留下未經(jīng)處理的氧化石墨，它傳導(dǎo)離子但不傳導(dǎo)電子，因此可以作為正負(fù)石墨烯電極之間的極好電介質(zhì)。為了完成這個(gè)電池，我們?cè)趫D案的頂部加入了一滴凝膠電解質(zhì)，以提供一點(diǎn)類似電池的存儲(chǔ)——與傳統(tǒng)超級(jí)電容器使用的技術(shù)相同。
插圖：GREG MABLY
通過(guò)“交錯(cuò)”電極以類似于交錯(cuò)的手指，我們大大擴(kuò)展了界面，從而增加了電荷可以附著的表面積。同時(shí)，我們縮短了電解質(zhì)中離子需要擴(kuò)散的路徑。這很重要，因?yàn)槌?jí)電容器通過(guò)在石墨烯表面吸附離子來(lái)儲(chǔ)存電荷，因此離子擴(kuò)散速率控制著超級(jí)電容器的充電和放電速率。更快的離子擴(kuò)散意味著更快的充電和放電能力。因此，新的叉指式超級(jí)電容器表現(xiàn)出比堆疊式超級(jí)電容器更大的電荷存儲(chǔ)容量。
這些微超級(jí)電容器的加工不需要掩膜或昂貴的潔凈室。這種單步激光書寫方法可以以傳統(tǒng)微制造技術(shù)成本的一小部分生產(chǎn)設(shè)備。在我們的實(shí)驗(yàn)室里，我們現(xiàn)在可以在不到30分鐘的時(shí)間里在一個(gè)磁盤上生產(chǎn)100個(gè)這樣的設(shè)備，而且還有很大的改進(jìn)空間。當(dāng)然，制造商可以通過(guò)簡(jiǎn)單地同時(shí)運(yùn)行滿屋子的DVD刻錄機(jī)來(lái)加快速度。使用工業(yè)規(guī)模的激光雕刻機(jī)優(yōu)化用于大規(guī)模生產(chǎn)的燃燒器會(huì)更好，現(xiàn)在工業(yè)級(jí)激光雕刻機(jī)廣泛用于工業(yè)標(biāo)記產(chǎn)品，以便以后可以跟蹤它們。激光雕刻機(jī)可以構(gòu)造在一個(gè)傳送帶系統(tǒng)使用長(zhǎng)卷氧化石墨。
其結(jié)果是一個(gè)非常緊湊的二維裝置，可以直接與硅電路集成。相比之下，今天的電腦主板需要在電子設(shè)備和備用電源之間進(jìn)行復(fù)雜的互連，通常是一個(gè)硬幣大小的鋰電池，當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，它能保持內(nèi)存的活力。由于它們可以集成在芯片上，這些微型超級(jí)電容器可以更容易地從機(jī)械、熱能和太陽(yáng)能中提取能量。例如，它們可以被制造在太陽(yáng)能電池的背面，用來(lái)儲(chǔ)存白天產(chǎn)生的能量，以便在太陽(yáng)下山后使用。目前的典型做法是使用電池，但超級(jí)電容器會(huì)更好，因?yàn)樗鼈兛梢愿行У靥崛‰姾桑瑩p耗最小。此外，集成超級(jí)電容器可以簡(jiǎn)化用于傳統(tǒng)能源收集和存儲(chǔ)系統(tǒng)的外部布線。
離子上下，電子來(lái)回
電極(灰色)由一堆鐵絲形狀的石墨烯組成，它可以導(dǎo)電。正極(紅色)和負(fù)極(藍(lán)色)離子在電極之間流動(dòng)，完成超級(jí)電容中類似電池的電路。
插圖：James Provost
我們的設(shè)計(jì)還回避了當(dāng)今電源的主要挑戰(zhàn)之一：電解液泄漏。電池和傳統(tǒng)超級(jí)電容器都使用高腐蝕性液體來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，隨著設(shè)備老化，這種液體有時(shí)會(huì)逸出，侵蝕電路和周圍的組件。結(jié)果是電池失效，有時(shí)甚至起火。我們的微型超級(jí)電容器采用全固態(tài)電解質(zhì)，我們將其直接應(yīng)用于叉指圖案。
對(duì)于這種固體電解質(zhì)，我們有很多選擇。我們可以使用凝膠聚合物電解質(zhì)，通過(guò)用電解質(zhì)溶液溶脹聚合物基質(zhì)制成，或者我們可以通過(guò)添加聚合物或二氧化硅納米粉末來(lái)固化離子液體。這種無(wú)泄漏設(shè)計(jì)，加上幾乎無(wú)限次數(shù)的充電和放電循環(huán)，意味著我們的超級(jí)微電容器可能比芯片上的所有其他電子設(shè)備更耐用。當(dāng)打開東西來(lái)更換電源（如心臟起搏器、除顫器和其他醫(yī)療植入物）不方便或危險(xiǎn)時(shí)，如此長(zhǎng)的使用壽命將特別有用。
Germ’s Eye View：不斷放大的電極圖顯示了三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)，最后是相互連接的孔隙。圖片來(lái)源：MAHER EL-KADY/加州大學(xué)洛杉磯分校（2）；維羅妮卡·斯特朗/加州大學(xué)洛杉磯分校 (2)
我們的直接激光書寫技術(shù)的另一個(gè)有趣的特點(diǎn)是能夠?qū)⑷我鈹?shù)量的微超級(jí)電容器連接在一起，以產(chǎn)生高電壓和高電流輸出的模塊。這比用笨拙的線路把許多電池連接在一起要好得多。更重要的是，我們可以在一個(gè)非常小的體積里裝更多的高壓超級(jí)電容器，這比目前的任何方案都要更能實(shí)現(xiàn)。
最近，我們的團(tuán)隊(duì)制作了一種混合電容器，結(jié)合了電容器和電池的最佳特性。我們通過(guò)在超級(jí)電容器的波紋狀石墨烯結(jié)構(gòu)中生長(zhǎng)二氧化錳來(lái)制造這種混合器件。這種混合動(dòng)力電池可以在幾分鐘內(nèi)完成充電，但其能量密度高達(dá)市售微型電池的 10 倍?；旌显O(shè)備的厚度只有一張紙的五分之一；它的封裝可以從幾平方微米到厘米級(jí)不等。厘米級(jí)設(shè)備的電容范圍在 400 到 1,000 毫法拉之間——足以為 LED 手電筒供電一個(gè)小時(shí)。
由于它們的功率和緊湊性，我們的微型超級(jí)電容器將開辟新的機(jī)遇。可以把它們織進(jìn)繃帶的布料里這樣它就能發(fā)出一點(diǎn)電流來(lái)刺激藥物緩慢而穩(wěn)定的釋放?；蛘?，可以將它們集成到智能卡上，以提供一個(gè)獨(dú)立的機(jī)載能源，在被盜用時(shí)可以利用該能源擦除存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。
位于洛杉磯的初創(chuàng)公司Nanotech Energy正在探索我們的設(shè)備的商業(yè)應(yīng)用。在微型超級(jí)電容器進(jìn)入照相手機(jī)、RFID 標(biāo)簽和太陽(yáng)能電池之前，單位成本應(yīng)該會(huì)直線下降。隨著摩爾定律開始全面生效，超級(jí)電容器將開始縮小到看不見的地方。正如電子工程師所熟知的那樣，底部有足夠的空間。
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