科學家將石墨烯納米墨水用於超級電容器的增材製造

據外媒報道,堪薩斯州立大學工業和製造系統工程副教授Suprem Das領導的研究團隊與大學物理學傑出教授Christopher Sorensen合作,展示了製造基於石墨烯的納米墨水的潛在方法,以柔性和可打印的電子產品的形式添加製造超級電容器

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超級電容器是一種可以在幾十秒內快速充電和放電的能源設備。隨着世界各地的研究人員研究超級電容器替代電池的可能性,Das領導的團隊提出了另一種預測。該團隊的工作可以將其整合,以克服電池的緩慢充電過程。此外,Das一直在開發小型超級電容器的增材製造–稱為微型超級電容器–以便有一天它們可以用於硅加工中的晶圓級集成。

Das說:“增材製造是令人着迷的,具有成本效益,並具有多功能的設計考慮。”

該團隊已經開發出了經過10000次充放電循環測試的超級電容器,這個數字對於評估這些設備的可靠性是很有希望的,Das表示該團隊還在研究這些微型超級電容器的多功能性,在機械柔性表面上打印。為此,他們使用了20微米厚的聚酰亞胺–塑料–基底,可靠性很高。Das對將新興材料轉化為設備十分感興趣。

“當你考慮最好的材料並希望製造最好的設備時,它並不簡單和直接,”Das說。“人們需要再了解器件所涉及的基礎物理學和化學。”

Das的發明的另一個優勢是他通過與Sorensen的建設性討論可視化的綠色研究方面。當Das遇到Sorensen 時,他意識到他可以利用他在增材製造方面的專業知識,將這些材料轉化為有用的東西;在這種情況下,製造微小的儲能裝置。

幾個月後,Das在開發出納米墨水技術后申請了美國專利,並將其用於展示打印的微型超級電容器。

Das 對與 Sorensen 形成這種協同合作特別感興趣,因為石墨烯生產過程和他自己研究小組的石墨烯油墨製造過程具有高能效、高度可擴展和無化學成分的特點。Das 說,這兩種工藝都是專利/正在申請專利的技術,在工業上具有相關性。

“我們通過在一個多升的室內引爆富含燃料的不飽和碳氫化合物(如乙炔)與氧氣的混合物來製造高質量的多層石墨烯,”Sorensen說。”我們的專利方法很簡單,只需要很少的能量,因此對生態環境是無害的;不需要有毒的化學品;並且已經擴大了規模,可以產生高質量、廉價的石墨烯。”

石墨烯被認為是一種具有很大潛力的神奇材料,因為它具有許多超強的物理特性,許多石墨烯製造方法已經在全球範圍內被開發出來,石墨烯的生產量也達到了噸級。然而,技術專家們很清楚,石墨烯還沒有進入市場,因為這些方法都沒有在經濟、生態和產品質量方面進行適當的組合,使石墨烯能夠發揮其潛力。但據Sorensen和Das說,堪薩斯州立大學追求的生產石墨烯和納米墨水的方法都在解決所有這些要求的目標上。

這項研究最近作為封面文章發表在《ACS應用能源材料雜誌》上。