美研究人员为超级电容器商业化寻找新途径

近日，美国堪萨斯州立大学工业和制造系统工程系助理教授Suprem Das与该校物理学教授 Christopher Sorensen展示了最新研究成果。他们构造了基于石墨烯的纳米级墨水材料，并通过增材制造技术将其成功用于生产“超级电容器”（supercapacitors）。

超级电容器是通过柔性印刷电路的方式成型。此前，Suprem Das领导的研究团队就曾使用脉冲激光成功制造了具有纳米结构的喷墨印刷石墨烯。Suprem Das和他的研究团队正努力将研究成果转化为可扩展的市场应用，新工艺方法有望为石墨烯的商业化制造铺平道路。

■图片来源：CC0 Public Domain

几十年来，硅一直是电子制造领域的主角。Suprem Das研发的新制造工艺旨在寻找更节能、灵活和环保的材料。这些材料在可穿戴电子产品中具有广阔的应用前景，另外在生物，电化学和电子传感器，纸质电子产品，储能系统等方面也有不错的商业化价值。

近年来，世界各地的研究人员陆续开展了电池替代技术的相关研究。超级电容器是一种可以在几十秒内实现快速充电和放电的储能设备。据悉，Suprem Das一直在开发用于小型超级电容器（称为微型超级电容器）的增材制造技术，以便有一天该技术能用于硅加工中的晶圆级集成。Suprem Das对此谈到，“增材制造技术令人着迷，具有看得见的成本效益，并且具有设计灵活等因素。”

■Suprem Das

运用增材制造技术打印多层石墨烯电路的关键在于，必须对石墨烯进行处理以提高其导电性，但同时可能会降低其柔韧性。Suprem Das和团队成员没有选择高温和化学物质而是使用了激光。他们发现用脉冲激光工艺处理喷墨印刷的多层石墨烯电路可提高导电性，而不会损坏纸张、聚合物或其他易碎的印刷表面。

目前，该团队开发的超级电容器已经过了1万次充电和放电的循环测试，通过高频测试评估设备的可靠性。Suprem Das说，研究团队还通过在机械柔性表面打印，研究微型超级电容器的多功能性。为此，他们使用了具有高可靠性的20μm聚酰亚胺塑料基板。Suprem Das对将新兴材料转化为储能设备表现出强烈的兴趣。

“当你考虑使用最好的材料制造设备时，并非想象中的那么简单和直接，”Suprem Das说，“重要的是要了解其中的基础物理和化学原理。”与Christopher Sorensen合作时，Suprem Da的另一个研究优势就体现出来了，就是这项技术有利于环境保护。这也让Suprem Das意识到，他可以利用在增材制造方面的专业知识，将这些材料转化为可行的微型储能设备。

■石墨烯微观结构

Suprem Das所在的研究团队开发出的纳米级墨水技术已经申请了专利。之后，研究人员试图用它来演示印刷微型超级电容器。Suprem Das对与Christopher Sorensen达成合作感到高兴。双方通过合作，得以让石墨烯生产过程具有节能、高度可扩展和无化学性的特点。

“我们在大容积空腔内引爆富含燃料的不饱和烃（如乙炔）与氧气的混合物，来制造高质量的多层石墨烯材料，”Christopher Sorensen谈到，“我们研发出的这种工艺十分简单，而且只需要很少的能量就能实现，因此在生态上是无害的；无需有毒化学物质；并且已经具备实现大规模生产的可能性。”

石墨烯因其众多卓越的物理特性，被公认为是具有巨大潜力的神奇材料。全球已经开发出许多石墨烯制造方法，并且石墨烯的年生产量已达到吨级。然而研究人员也很清楚，当前石墨烯还没有完全进入市场。因为就目前的石墨烯生产方式，还没有实现经济性、生态环保和产品质量的有效平衡，也没有让石墨烯发挥出应有的潜力。但根据两位项目牵头人的说法，堪萨斯州立大学采用的生产石墨烯和纳米墨水的方法已经朝着这个方向又迈进了一步，但距离最后取得成果仍需时间。