塑料塑造了現(xiàn)代世界，改變了我們的生活方式。幾十年來，塑料因其出色的絕緣性能而主要用于電子產(chǎn)品。但在 20 世紀(jì) 70 年代，科學(xué)家意外發(fā)現(xiàn)某些塑料也能導(dǎo)電。這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了該領(lǐng)域，為電子和儲(chǔ)能應(yīng)用打開了大門。
目前使用最廣泛的導(dǎo)電塑料之一是 PEDOT，即聚(3,4-乙烯二氧噻吩)的縮寫。PEDOT 是一種柔性透明薄膜，通常涂在攝影膠片和電子元件表面，以保護(hù)它們免受靜電影響。它也用于觸摸屏、有機(jī)太陽能電池和電致變色設(shè)備，例如只需按一下按鈕即可從亮變暗的智能窗。
然而，PEDOT 的儲(chǔ)能潛力受到限制，因?yàn)槭惺鄣?PEDOT 材料缺乏容納大量能量所需的電導(dǎo)率和表面積。
加州大學(xué)洛杉磯分校的化學(xué)家們正在采用一種創(chuàng)新方法來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，即控制 PEDOT 的形態(tài)，從而精確地生長(zhǎng)納米纖維。這些納米纖維表現(xiàn)出卓越的導(dǎo)電性和擴(kuò)大的表面積，這兩者對(duì)于增強(qiáng) PEDOT 的儲(chǔ)能能力至關(guān)重要。
《先進(jìn)功能材料》雜志發(fā)表的一篇論文描述了這種方法，證明了 PEDOT 納米纖維在超級(jí)電容器應(yīng)用方面的潛力。
與通過緩慢化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)存能量的電池不同，超級(jí)電容器通過在其表面積累電荷來儲(chǔ)存和釋放能量。這使得它們能夠極快地充電和放電，使其成為需要快速爆發(fā)功率的應(yīng)用的理想選擇，例如混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車中的再生制動(dòng)系統(tǒng)以及相機(jī)閃光燈。因此，更好的超級(jí)電容器是減少對(duì)化石燃料依賴的一種途徑。
加州大學(xué)洛杉磯分校的化學(xué)家們通過獨(dú)特的氣相生長(zhǎng)工藝生產(chǎn)出這種新材料，制成了垂直的 PEDOT 納米纖維。這些納米纖維類似于向上生長(zhǎng)的茂密草叢，大大增加了材料的表面積，使其能夠儲(chǔ)存更多的能量。通過在石墨片上添加一滴含有氧化石墨烯納米薄片和氯化鐵的液體，研究人員將該樣品暴露在前體分子的蒸汽中，最終形成了 PEDOT 聚合物。
這種聚合物并沒有發(fā)展成非常薄的平面薄膜，而是長(zhǎng)成了厚厚的毛皮狀結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的 PEDOT 材料相比，其表面積顯著增加。
“這種材料獨(dú)特的垂直生長(zhǎng)使我們能夠制造出比傳統(tǒng) PEDOT 儲(chǔ)存更多能量的 PEDOT 電極，”通訊作者、加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)家 Maher El-Kady 說道。“電荷存儲(chǔ)在材料表面，而傳統(tǒng) PEDOT 薄膜的表面積不足以容納大量電荷。我們?cè)黾恿?PEDOT 的表面積，從而將其容量提高到足以制造超級(jí)電容器的程度。”
作者利用這些 PEDOT 結(jié)構(gòu)制造出具有出色電荷存儲(chǔ)容量和非凡循環(huán)穩(wěn)定性的超級(jí)電容器，循環(huán)次數(shù)達(dá)到近 100,000 次。這一進(jìn)展可能為更高效的儲(chǔ)能系統(tǒng)鋪平道路，直接應(yīng)對(duì)可再生能源和可持續(xù)性方面的全球挑戰(zhàn)。
“聚合物本質(zhì)上是由稱為單體的較短塊組成的長(zhǎng)分子鏈，”El-Kady 說道。“可以把它想象成由串在一起的單個(gè)珠子制成的項(xiàng)鏈。我們?cè)谑覂?nèi)加熱液態(tài)單體。隨著蒸汽上升，它們?cè)诮佑|石墨烯納米薄片表面時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。該反應(yīng)導(dǎo)致單體結(jié)合并形成垂直納米纖維。這些納米纖維的表面積更大，這意味著它們可以儲(chǔ)存更多的能量。”
這種新型 PEDOT 材料表現(xiàn)出了令人印象深刻的效果，在幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域超出了預(yù)期。它的電導(dǎo)率比商用 PEDOT 產(chǎn)品高 100 倍，使其電荷存儲(chǔ)效率更高。更引人注目的是，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。這種增加的表面積至關(guān)重要，因?yàn)樗试S在相同體積的材料中存儲(chǔ)更多的能量，從而顯著提高超級(jí)電容器的性能。
得益于在石墨烯片上生長(zhǎng)出一層厚厚的納米纖維的新工藝，這種材料現(xiàn)在具有迄今為止報(bào)道的 PEDOT 中最高的電荷存儲(chǔ)容量之一——超過每平方厘米 4,600 毫法拉，比傳統(tǒng)的 PEDOT 高出近一個(gè)數(shù)量級(jí)。
最重要的是，這種材料非常耐用，可以承受超過 70,000 次充電循環(huán)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)材料。這些進(jìn)步為超級(jí)電容器打開了大門，超級(jí)電容器不僅速度更快、效率更高，而且使用壽命更長(zhǎng)，這是可再生能源行業(yè)必不可少的品質(zhì)。
