IT之家 1 月 22 日消息，塑料作為現(xiàn)代社會(huì)中不可或缺的材料，具有優(yōu)異的絕緣性能。然而，20 世紀(jì) 70 年代，科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)某些塑料也具有導(dǎo)電性，這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了材料科學(xué)的格局，并為電子設(shè)備和能源存儲(chǔ)領(lǐng)域開(kāi)辟了新的應(yīng)用前景。
據(jù)IT之家了解，聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）是目前應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)電塑料之一。PEDOT 是一種柔韌、透明的薄膜，常用于保護(hù)攝影膠片和電子元件免受靜電干擾，同時(shí)也被應(yīng)用于觸摸屏、有機(jī)太陽(yáng)能電池和電致變色設(shè)備（如智能窗戶）中。然而，由于商業(yè)化的 PEDOT 材料導(dǎo)電性和表面積有限，其在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的潛力一直受到限制。
加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的化學(xué)家們通過(guò)一種創(chuàng)新方法，成功控制了 PEDOT 的形態(tài)，使其生長(zhǎng)出精確的納米纖維結(jié)構(gòu)。這些納米纖維不僅具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，還顯著增加了材料的表面積，從而大幅提升了 PEDOT 的能源存儲(chǔ)能力。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊上。
超級(jí)電容器與電池的工作原理截然不同。電池通過(guò)緩慢的化學(xué)反應(yīng)存儲(chǔ)能量，而超級(jí)電容器則通過(guò)在材料表面積累電荷來(lái)存儲(chǔ)和釋放能量。這種機(jī)制使得超級(jí)電容器能夠極快地充放電，非常適合需要快速能量釋放的應(yīng)用場(chǎng)景，例如混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車的動(dòng)能回收系統(tǒng)以及相機(jī)閃光燈。因此，開(kāi)發(fā)性能更優(yōu)的超級(jí)電容器是減少對(duì)化石燃料依賴的重要途徑之一。然而，超級(jí)電容器面臨的主要挑戰(zhàn)是如何制造出具有足夠表面積的材料以存儲(chǔ)大量能量，而傳統(tǒng)的 PEDOT 材料在這方面表現(xiàn)不佳。
UCLA 的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一種獨(dú)特的氣相生長(zhǎng)工藝，成功制備出垂直排列的 PEDOT 納米纖維。這些納米纖維形似向上生長(zhǎng)的茂密草叢，顯著增加了材料的表面積，從而使其能夠存儲(chǔ)更多能量。具體而言，研究人員在石墨片上滴加含有氧化石墨烯納米片和三氯化鐵的液體，隨后將樣品暴露于 PEDOT 前體分子的蒸汽中。與傳統(tǒng)的 PEDOT 材料形成薄而平的薄膜不同，這種新方法使聚合物生長(zhǎng)出厚實(shí)的絨毛狀結(jié)構(gòu)，表面積大幅增加。
“這種材料的垂直生長(zhǎng)特性使我們能夠制造出比傳統(tǒng) PEDOT 存儲(chǔ)更多能量的電極，”該研究的通訊作者、UCLA 材料科學(xué)家 Maher El-Kady 解釋道，“電荷存儲(chǔ)在材料表面，而傳統(tǒng)的 PEDOT 薄膜表面積不足，無(wú)法存儲(chǔ)大量電荷。我們通過(guò)增加 PEDOT 的表面積，顯著提升了其容量，從而能夠用于制造超級(jí)電容器?！?/p>
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種新型 PEDOT 材料在多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上表現(xiàn)優(yōu)異，遠(yuǎn)超預(yù)期。其導(dǎo)電性是商業(yè)化 PEDOT 產(chǎn)品的 100 倍，使其在電荷存儲(chǔ)方面更加高效。更令人矚目的是，這些 PEDOT 納米纖維的電化學(xué)活性表面積是傳統(tǒng) PEDOT 的四倍。表面積的增加意味著在相同體積的材料中可以存儲(chǔ)更多能量，從而顯著提升了超級(jí)電容器的性能。
得益于這種新工藝，石墨烯片上生長(zhǎng)的納米纖維層具有迄今為止報(bào)道的最高電荷存儲(chǔ)容量之一 —— 每平方厘米超過(guò) 4600 毫法拉，幾乎是傳統(tǒng) PEDOT 的十倍。此外，這種材料還表現(xiàn)出極高的耐久性，能夠經(jīng)受超過(guò) 7 萬(wàn)次充放電循環(huán)，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料。這些突破為開(kāi)發(fā)更快、更高效且更耐用的超級(jí)電容器鋪平了道路，對(duì)可再生能源行業(yè)具有重要意義。
“我們的電極表現(xiàn)出卓越的性能和耐久性，這表明石墨烯 PEDOT 在超級(jí)電容器中的應(yīng)用潛力巨大，有助于滿足社會(huì)的能源需求，”另一位通訊作者、UCLA 化學(xué)與材料科學(xué)與工程杰出教授 Richard Kaner 表示。Kaner 的研究團(tuán)隊(duì)在導(dǎo)電聚合物領(lǐng)域已有超過(guò) 37 年的研究歷史。他在博士期間曾參與導(dǎo)師 Alan MacDiarmid 和 Alan Heeger 關(guān)于導(dǎo)電塑料的發(fā)現(xiàn)，后者因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
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