柔性襯底:這些扁平的超級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輕松很多。
使用微小但功能強大的電容器，就可以制造更便宜、更小巧的心臟起搏器和計算機。它們在非易失性存儲器、微傳感器和執(zhí)行器、RFID標簽和微電子機械系統(tǒng)等領(lǐng)域都有很大的應用價值，在這些應用中，電源的重量可達其他部件總和的 10 倍。并且因為與所有電容器一樣，此類設備能夠非常快速地釋放電荷，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)電容器為智能手機相機中的閃光燈供電一樣。（小型化的超級電容器因此可以使智能手機變得更薄。）
加利福尼亞大學洛杉磯分校的小組使用簡單的 DVD 刻錄機制造出了這種微超級電容器，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，這樣的超級電容器可以讓手機運行好幾天。而且由于陣列的厚度不到 10 微米——遠比人的頭發(fā)細——它是完全靈活的。在柔性基板上構(gòu)建這些陣列，它們可以為一個卷起來的顯示器提供動力。
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擴大規(guī)模，我們的微型超級電容器可以很容易地集成到硅芯片上。在許多情況下，它們可以彌補電池固有的弱點，例如相對較慢的功率傳輸和較長的充電時間。因此，即使在這些設備無法替代電池的應用中，它們也會極大地增強它們。
用數(shù)十個超級電容器平鋪光盤
作者一次生產(chǎn)了許多超級電容器，每個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準DVD上。
接下來，他們在塑料表面涂上氧化石墨，這種材料能傳導離子，但不能傳導電子。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激光刻錄機中，該刻錄機的激光通常會在dvd上蝕刻標簽。在這里，它將一些氧化石墨蝕刻到石墨烯電極中。
交錯電極設計使接口和電容最大化。一滴電解液就能把它變成超級電容器。
插圖來源：James Provost
以鉛酸電池為例。如果摩爾定律一直適用于半導體，那么一個功能齊全的汽車電池現(xiàn)在應該只有一個紅細胞那么大。但這項發(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 年代初以來能量密度增加了兩倍的鋰離子電池，其技術(shù)增長也已接近尾聲。
電池不能遵循摩爾定律，因為沒有一種已知材料可以將巨大的電荷壓縮到一個小體積里。我們現(xiàn)有的微電池價格昂貴，因為它們的制造過程復雜且耗時。我們也不可能從已經(jīng)提出的各種能源收集計劃中找到拯救；它們只是沒有為產(chǎn)品設計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。我們已經(jīng)找到了一種方法讓他們搭上摩爾定律的順風車。
傳統(tǒng)的電容器是由兩個由薄絕緣層隔開的金屬板制成的。它在兩個帶相反電荷的極板產(chǎn)生的電場中以靜電方式存儲電荷。能儲存多少電荷是由器件的電容決定的。它是一個金屬板的面積（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。
超級電容器借用了一點電池技術(shù)——電解液——來減少距離。超級電容器定義為電雙層電容器。它由兩個浸有液體電解質(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。當施加電壓時，電解液中的離子移動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。
我們的超級電容器形式還改善了面積，這是另一個變量。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 萬倍，是典型電解電容器的 10000 倍。
我們對能量儲存的興趣可以追溯到20世紀80年代早期，在加州大學伯克利分校的 Neil Bartlett 實驗室，我們中的一個 (Kaner) 是一名博士后學者，致力于研究新型石墨。這種類型的碳被廣泛應用于鋰離子電池，因為它便宜，導電性高，并能有效存儲鋰離子。然而，其較低的表面積與質(zhì)量比限制了其儲存電荷的能力。但這給了 Bartlett 一個主意：制造一種“多孔”石墨，其表面積需要儲存大量電荷。不幸的是，他的伯克利團隊當時無法實現(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年的時間，最終在加州大學洛杉磯分校的實驗室用自下而上的方法解決了這個問題。我們從單獨的氧化石墨片開始，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)，通過用強激光照射氧化石墨，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宏觀的三維網(wǎng)絡，看起來就像波瓦楞紙板。
這種波紋碳具有非凡的特性。我們發(fā)現(xiàn)，電子在3D石墨烯中的移動速度是用于電池的石墨的100倍，是最先進的碳納米管的10倍。這種快速性意味著超級電容器可能是一個極好的應用。
我們還有一個技術(shù)問題需要解決:幾何。傳統(tǒng)的超級電容器由垂直堆疊的電極對組成，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)代微電子學兼容的方式制造的平面幾何結(jié)構(gòu)。
易于應用：不需要離子沉積機，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)
我們在 LightScribe 中找到了解決方案，這是一種廉價、現(xiàn)成的激光技術(shù)，數(shù)百萬人已經(jīng)使用它在光盤上蝕刻標簽和設計。然而，我們沒有使用涂有活性染料的光盤，這種染料在激光照射下會改變顏色，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，它傳導離子但不傳導電子，因此可以作為正負石墨烯電極之間的極好電介質(zhì)。為了完成這個電池，我們在圖案的頂部加入了一滴凝膠電解質(zhì)，以提供一點類似電池的存儲——與傳統(tǒng)超級電容器使用的技術(shù)相同。
插圖：GREG MABLY
通過“交錯”電極以類似于交錯的手指，我們大大擴展了界面，從而增加了電荷可以附著的表面積。同時，我們縮短了電解質(zhì)中離子需要擴散的路徑。這很重要，因為超級電容器通過在石墨烯表面吸附離子來儲存電荷，因此離子擴散速率控制著超級電容器的充電和放電速率。更快的離子擴散意味著更快的充電和放電能力。因此，新的叉指式超級電容器表現(xiàn)出比堆疊式超級電容器更大的電荷存儲容量。
這些微超級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)設備。在我們的實驗室里，我們現(xiàn)在可以在不到30分鐘的時間里在一個磁盤上生產(chǎn)100個這樣的設備，而且還有很大的改進空間。當然，制造商可以通過簡單地同時運行滿屋子的DVD刻錄機來加快速度。使用工業(yè)規(guī)模的激光雕刻機優(yōu)化用于大規(guī)模生產(chǎn)的燃燒器會更好，現(xiàn)在工業(yè)級激光雕刻機廣泛用于工業(yè)標記產(chǎn)品，以便以后可以跟蹤它們。激光雕刻機可以構(gòu)造在一個傳送帶系統(tǒng)使用長卷氧化石墨。
其結(jié)果是一個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備和備用電源之間進行復雜的互連，通常是一個硬幣大小的鋰電池，當系統(tǒng)斷電時，它能保持內(nèi)存的活力。由于它們可以集成在芯片上，這些微型超級電容器可以更容易地從機械、熱能和太陽能中提取能量。例如，它們可以被制造在太陽能電池的背面，用來儲存白天產(chǎn)生的能量，以便在太陽下山后使用。目前的典型做法是使用電池，但超級電容器會更好，因為它們可以更有效地提取電荷，損耗最小。此外，集成超級電容器可以簡化用于傳統(tǒng)能源收集和存儲系統(tǒng)的外部布線。
離子上下，電子來回
電極(灰色)由一堆鐵絲形狀的石墨烯組成，它可以導電。正極(紅色)和負極(藍色)離子在電極之間流動，完成超級電容中類似電池的電路。
插圖：James Provost
我們的設計還回避了當今電源的主要挑戰(zhàn)之一：電解液泄漏。電池和傳統(tǒng)超級電容器都使用高腐蝕性液體來實現(xiàn)這一功能，隨著設備老化，這種液體有時會逸出，侵蝕電路和周圍的組件。結(jié)果是電池失效，有時甚至起火。我們的微型超級電容器采用全固態(tài)電解質(zhì)，我們將其直接應用于叉指圖案。
對于這種固體電解質(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，或者我們可以通過添加聚合物或二氧化硅納米粉末來固化離子液體。這種無泄漏設計，加上幾乎無限次數(shù)的充電和放電循環(huán)，意味著我們的超級微電容器可能比芯片上的所有其他電子設備更耐用。當打開東西來更換電源（如心臟起搏器、除顫器和其他醫(yī)療植入物）不方便或危險時，如此長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，最后是相互連接的孔隙。圖片來源：MAHER EL-KADY/加州大學洛杉磯分校（2）；維羅妮卡·斯特朗/加州大學洛杉磯分校 (2)
我們的直接激光書寫技術(shù)的另一個有趣的特點是能夠?qū)⑷我鈹?shù)量的微超級電容器連接在一起，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，我們可以在一個非常小的體積里裝更多的高壓超級電容器，這比目前的任何方案都要更能實現(xiàn)。
最近，我們的團隊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。我們通過在超級電容器的波紋狀石墨烯結(jié)構(gòu)中生長二氧化錳來制造這種混合器件。這種混合動力電池可以在幾分鐘內(nèi)完成充電，但其能量密度高達市售微型電池的 10 倍。混合設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不等。厘米級設備的電容范圍在 400 到 1,000 毫法拉之間——足以為 LED 手電筒供電一個小時。
由于它們的功率和緊湊性，我們的微型超級電容器將開辟新的機遇。可以把它們織進繃帶的布料里這樣它就能發(fā)出一點電流來刺激藥物緩慢而穩(wěn)定的釋放。或者，可以將它們集成到智能卡上，以提供一個獨立的機載能源，在被盜用時可以利用該能源擦除存儲的數(shù)據(jù)。
位于洛杉磯的初創(chuàng)公司Nanotech Energy正在探索我們的設備的商業(yè)應用。在微型超級電容器進入照相手機、RFID 標簽和太陽能電池之前，單位成本應該會直線下降。隨著摩爾定律開始全面生效，超級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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