隨著智能設(shè)備、可穿戴傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和植入式電子產(chǎn)品尺寸的縮小，它們所依賴的儲(chǔ)能設(shè)備也應(yīng)如此。超級(jí)電容器——具有高儲(chǔ)能能力，而且能夠處理快速充放電循環(huán)的能力，這會(huì)破壞傳統(tǒng)的化學(xué)電池——近年來(lái)已經(jīng)縮小到“微型”尺寸。現(xiàn)在，印度的研究人員使用二維材料石墨烯和二硫化鉬 (MoS2 ) 報(bào)告了迄今為止最小的微型超級(jí)電容器。

位于班加羅爾的印度科學(xué)研究所儀器與應(yīng)用物理學(xué)教授Abha Misra表示，這種最新的微型超級(jí)電容器實(shí)際上不負(fù)眾望。盡管上一代設(shè)備的尺寸為微米級(jí)，但尺寸更接近毫米級(jí)，“我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了三個(gè)數(shù)量級(jí)的尺寸縮減，”她說(shuō)。“我們真的達(dá)到了微米尺度。”

超級(jí)電容器是電池和電容器的混合體。電容器通過(guò)在由薄絕緣材料隔開(kāi)的兩個(gè)導(dǎo)電表面上積累電荷來(lái)儲(chǔ)存能量。與此同時(shí)，電池通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

與電池一樣，超級(jí)電容器由兩個(gè)電極組成——通常由超級(jí)電容器中的碳材料制成——浸漬有允許離子流過(guò)的液體電解質(zhì)。施加電壓時(shí)，電解質(zhì)中的離子會(huì)移動(dòng)到帶相反電荷的電極表面。電荷在電極和電解質(zhì)之間的界面處累積，形成所謂的“雙電層”。這使它們能夠快速儲(chǔ)存和輸送大量能量。除了快速充電和高功率外，它們的使用壽命也比電池長(zhǎng)得多。

為了制造用于小型電子產(chǎn)品和傳感器的微型超級(jí)電容器，研究人員使用了各種形式的石墨烯作為電極。“人們通常制作石墨烯墨水并將其噴涂在電極上，”米斯拉說(shuō)。這個(gè)過(guò)程通常會(huì)產(chǎn)生小型毫米級(jí)超級(jí)電容器。但該設(shè)備的功能通常難以控制，而石墨烯的噴涂應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)結(jié)構(gòu)，這會(huì)限制電容，她說(shuō)。

隨著智能設(shè)備、可穿戴傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和植入式電子產(chǎn)品尺寸的縮小，它們所依賴的儲(chǔ)能設(shè)備也應(yīng)如此。超級(jí)電容器——具有高儲(chǔ)能能力，而且能夠處理快速充放電循環(huán)的能力，這會(huì)破壞傳統(tǒng)的化學(xué)電池——近年來(lái)已經(jīng)縮小到“微型”尺寸。現(xiàn)在，印度的研究人員使用二維材料石墨烯和二硫化鉬 (MoS 2 ) 報(bào)告了迄今為止最小的微型超級(jí)電容器。

位于班加羅爾的印度科學(xué)研究所儀器與應(yīng)用物理學(xué)教授Abha Misra表示，這種最新的微型超級(jí)電容器實(shí)際上不負(fù)眾望。盡管上一代設(shè)備的尺寸為微米級(jí)，但尺寸更接近毫米級(jí)，“我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了三個(gè)數(shù)量級(jí)的尺寸縮減，”她說(shuō)。“我們真的達(dá)到了微米尺度。”

超級(jí)電容器是電池和電容器的混合體。電容器通過(guò)在由薄絕緣材料隔開(kāi)的兩個(gè)導(dǎo)電表面上積累電荷來(lái)儲(chǔ)存能量。與此同時(shí)，電池通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

與電池一樣，超級(jí)電容器由兩個(gè)電極組成——通常由超級(jí)電容器中的碳材料制成——浸漬有允許離子流過(guò)的液體電解質(zhì)。施加電壓時(shí)，電解質(zhì)中的離子會(huì)移動(dòng)到帶相反電荷的電極表面。電荷在電極和電解質(zhì)之間的界面處累積，形成所謂的“雙電層”。這使它們能夠快速儲(chǔ)存和輸送大量能量。除了快速充電和高功率外，它們的使用壽命也比電池長(zhǎng)得多。

為了制造用于小型電子產(chǎn)品和傳感器的微型超級(jí)電容器，研究人員使用了各種形式的石墨烯作為電極。“人們通常制作石墨烯墨水并將其噴涂在電極上，”米斯拉說(shuō)。這個(gè)過(guò)程通常會(huì)產(chǎn)生小型毫米級(jí)超級(jí)電容器。但該設(shè)備的功能通常難以控制，而石墨烯的噴涂應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)結(jié)構(gòu)，這會(huì)限制電容，她說(shuō)。

Misra 和她的同事們用多層電極制造了超微型超級(jí)電容器。每個(gè)電極由頂部有幾片石墨烯的幾片 2D MoS 2組成。一旦研究人員在二氧化硅基板上制作出分層電極，他們就會(huì)用凝膠電解質(zhì)覆蓋它們。所得裝置的電容為每平方厘米 1.8 毫法拉 (mF/cm² )。

二維材料的優(yōu)勢(shì)在于它們是半導(dǎo)體，她說(shuō)。所以每個(gè)電極本質(zhì)上都是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。當(dāng)研究人員從二氧化硅下方施加?xùn)艠O電壓時(shí)，電子會(huì)被吸引到材料表面。這會(huì)將離子吸入 MoS 2和石墨烯片之間的空間。所以現(xiàn)在，她解釋說(shuō)，雙電層不僅在電極-電解質(zhì)界面上形成，它也在電極層之間形成。這使得電容猛增 30 倍，達(dá)到 54 mF/cm²。

其他人報(bào)告了超級(jí)電容器設(shè)備的更高電容值。但對(duì)于其真正的微米尺寸，新設(shè)備顯示出異常高的電容，Misra 說(shuō)。此外，這些設(shè)備提供了更容易與電子芯片集成的選項(xiàng)，因?yàn)樗鼈兪褂媚�膠電解質(zhì)而不是液體，她說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在計(jì)劃使用其他 2D 材料制造設(shè)備，看看它們是否可以進(jìn)一步提高電容。