科学家发现褶皱石墨烯具有非凡的储能能力

——二维 “碳纸”能够形成可伸缩的超级电容器，这种电容器可为柔性电子设备提供电能。

为了生成褶皱石墨烯，首先将一层高分子材料沿其两个维度方向拉伸，然后将石墨烯粘合到被拉伸的高分子材料上。当释放一个维度方向上拉伸时，石墨烯上就出现了规则的褶皱，如左下图所示，此图由扫描电子显微镜（SEM）获得。最后，当释放另外一个维度方向上的拉伸时，石墨烯上就出现了混杂的褶皱（如左上图所示）。右上图的SEM图像表明石墨烯处于轻微的褶皱状态。右下图的SEM图像显示的是被压平了的褶皱石墨烯。图片由研究人员提供。

褶皱石墨烯超级传感器图（图中左上部分）。上、下两层为用作基板的聚合物，黑色的两层为褶皱石墨烯，白色的中间层为用作电解质的水凝胶。插图表示的是超级电容的实际产品，其证明了无论如何弯曲它，都不会影响其导电特性。图片由研究人员提供。

当某一人把一张纸弄皱，通常意味着他要扔了它。但是研究人员如今却发现一片褶皱石墨烯纸—一种由二维碳原子层粘结在一起形成的材料—具有一种新特性，可以利用这种特性创造出非凡的可伸缩的超级电容，这种电容可以为柔性电子设备存储能量。

麻省理工学院机械工程和土木与环境工程系助理教授赵选贺与另外四位作者在Scientific Reports期刊上发表了这一发现。研究团队说，制造这种新型柔性超级电容应该比较容易，制造成本也不会昂贵。

赵选贺说：“许多人都在研究石墨烯纸：由于单位质量的石墨烯具有非常大的表面积，它就成为了一种可以用来制造超级电容的好材料。”他还指出，如今柔性电子设备的发展需要柔性的电能存储系统，比如可穿戴式、可植入生物医学传感器或监控设备。

与电池类似，超级电容能够存储电能，但是超级电容主要以静电的形式存储电能，而不是以化学能的形式存储电能，因此超级电容输送电能的速度比电池快。赵选贺和他的研究团队证明通过将一层石墨烯纸弄成混杂的褶皱的方法可以制造出一种可以被随意弯折或者被拉伸到其原来尺寸8倍的超级电容。出于原则性的证明，研究团队已经使用这种方法制造了一种简单的超级电容。

该团队证明了这种材料在被反复地弄皱、压平1000次后，其性能也不会出现显著的下降。赵选贺说：“石墨烯纸非常耐用，它能够承受多轮次的大变形。”石墨烯是一种仅有一个碳原子厚度的六边形纯碳结构，它是已知最强悍的材料之一。

为了制造褶皱石墨烯纸，首先将一层材料放在机械设备上，沿一个方向压缩这层材料，形成一系列互相平行的褶，然后沿另一个方向压缩这层材料，就会形成混杂的褶皱表面。当被拉伸时，这层材料就很容易被拉平。

形成电容需要两层电容，本例中就是两层褶皱石墨烯纸，两层电容之间需要绝缘层，本例中绝缘层的材料为水凝胶。同褶皱石墨烯一样，水凝胶具有很强的变形性和延展性。因此，即使是被弯折或拉伸，这三层仍然能保持接触。

并未参与这项研究的澳大利亚莫纳什大学材料工程教授李丹（音译）说：“这项工作真是令我感到兴奋和惊讶。”他指出该研究团队提供了一种极其简单但又高效的概念，即通过控制多层石墨烯薄膜的褶皱来制造超级电容的可伸缩式电极。他接着说：“在其他的团队都已经制造出了柔性超级电容的时候，制造可伸缩式超级电容是一个巨大的挑战。这篇文章提出了一种聪明的办法来应对这一挑战，我相信这一办法将会把可穿戴式能量存储设备带到大家身边。”

研究团队还包括华中科技大学的臧剑锋 、杜克大学的曹长阳（音译）、冯亚英（音译）和刘杰（音译）。这项工作由美国国家海军办公室、美国国家科学基金会和中国国家**计划资助。

译自：http://newsoffice.mit.edu/2014/crumpled-graphene-energy-storage-1003

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