利用石墨烯制造的可扩展超级电容器技术 利用石墨烯革新能源技术

Newswise – 超级电容器是电池的灵活小兄弟。这两种技术都能储存电能。电池的能量密度高，但功率密度低。换句话说，它们可以存储大量能量，但充放电速度相当慢。超级电容器则恰恰相反： 它们以闪电般的速度吸收和释放能量，但只能存储少量能量。

“电池就像一个窄口的大容器，只能慢慢装满。超级电容器更像是一个开口很宽的小杯子。它们装得快，但容量小，”Empa 研究员 Sina Azad 解释说。这两种技术经常结合使用： 在电动汽车中，超级电容器可以快速捕捉制动能量，然后将其传递给速度较慢的电池进行储存。超级电容器还可用于太阳能发电场和风力涡轮机，以及有时需要快速获得大量电力的工业机器中。

Empa 功能聚合物实验室的博士后研究员 Azad 和他的团队为自己设定的目标是，通过开发一种基于石墨烯的新型电极，改进这些无处不在的快速存储设备。这种二维形式的碳可以使超级电容器获得更高的能量密度。

阿扎德承认，”超级电容器创纪录的能量密度在科学文献中已有多次描述。他的研究项目的重点不是破纪录，而是可扩展性。从一开始，研究人员就把重点放在不仅可以在实验室而且可以在工业规模上实施的材料和工艺上。因此，他们的项目得到了瑞士国家科学基金会（SNSF）和瑞士创新研究院（Innosuisse）联合资助项目 Bridge 的支持。

表面问题

与电池类似，超级电容器由两个电极组成，周围是液态电解质。在充电和放电过程中，电解液将离子（电荷载体）从一个电极输送到另一个电极。但与电池不同的是，电解液不会发生化学反应。“超级电容器通过在电极表面沉积尽可能多的带电粒子来静电储存能量，”西娜-阿扎德所属的功能聚合物实验室功能薄膜溶液处理研究小组负责人雅各布-海尔（Jakob Heier）说。

因此，电极的表面积越大，附着的离子就越多，超级电容器的能量密度就越高。“Empa 研究员 Vahid Charkesht 说：”如今，高多孔性活性炭通常被用作首选电极材料。然而，与石墨烯相比，活性炭的导电率非常低，这影响了电极的存储能力。

另一个缺点出现在材料的加工过程中。在工业中，电极是通过卷对卷工艺印制在柔性薄膜上的，然后切割并卷成超级胶囊成品。为了能将粉末状活性炭印刷到载体材料上，需要将其与粘合剂和其他添加剂混合，从而影响其孔隙率。

从油墨到产品

印刷石墨烯也不是必然的。用于工业应用的纯石墨烯通常从石墨中获得。传统生产方法的纯石墨烯产量非常低，必须花费巨资将其从废品中分离出来。不过，得益于之前的一个研究项目，Empa 的研究人员有了一张王牌：他们开发出了一种工艺，可以低成本、高效率地从石墨中 “剥离 ”出高质量的石墨烯，并将其加工成凝胶状的可印刷油墨。

这种石墨烯墨水在生产超级电容器电极方面具有决定性的优势。通过巧妙地混合两种不同类型的石墨烯，研究人员可以选择性地影响石墨烯层之间的孔隙大小。“阿扎德解释说：”如果电极的孔隙大小与电解质中离子的大小相匹配，超级电容器的能量密度就会大幅提高。对于活性炭来说，控制孔径是不可能的。

新型电极具有高导电性、精确的孔径、大表面积和可扩展性，很可能成为一种高科技产品。“雅各布-海尔（Jakob Heier）说：”在项目结束时，我们希望通过工业合作伙伴或我们自己的分拆公司，将我们的技术推向市场。

然而，还有很多工作要做–该项目将持续到 2028 年。研究人员不仅要开发电极技术，还要制造电极并将其安装到功能原型中。我们的目标是确定正确的工艺步骤，找到合适的电解质，然后精确表征完成的超级电容器。“我们希望开发出真正可靠的产品，”阿扎德总结道。