浅谈史上最小的超级电容器

随着智能设备、可穿戴传感器、物联网技术和植入式电子产品尺寸的缩小，它们所依赖的储能设备也应如此。超级电容器——具有高储能能力，而且能够处理快速充放电循环的能力，这会破坏传统的化学电池——近年来已经缩小到“微型”尺寸。现在，印度的研究人员使用二维材料石墨烯和二硫化钼 (MoS2 ) 报告了迄今为止最小的微型超级电容器。

位于班加罗尔的印度科学研究所仪器与应用物理学教授Abha Misra表示，这种最新的微型超级电容器实际上不负众望。尽管上一代设备的尺寸为微米级，但尺寸更接近毫米级，“我们已经实现了三个数量级的尺寸缩减，”她说。“我们真的达到了微米尺度。”

超级电容器是电池和电容器的混合体。电容器通过在由薄绝缘材料隔开的两个导电表面上积累电荷来储存能量。与此同时，电池通过电化学反应将化学能转化为电能。

与电池一样，超级电容器由两个电极组成——通常由超级电容器中的碳材料制成——浸渍有允许离子流过的液体电解质。施加电压时，电解质中的离子会移动到带相反电荷的电极表面。电荷在电极和电解质之间的界面处累积，形成所谓的“双电层”。这使它们能够快速储存和输送大量能量。除了快速充电和高功率外，它们的使用寿命也比电池长得多。

为了制造用于小型电子产品和传感器的微型超级电容器，研究人员使用了各种形式的石墨烯作为电极。“人们通常制作石墨烯墨水并将其喷涂在电极上，”米斯拉说。这个过程通常会产生小型毫米级超级电容器。但该设备的功能通常难以控制，而石墨烯的喷涂应用会产生随机结构，这会限制电容，她说。

随着智能设备、可穿戴传感器、物联网技术和植入式电子产品尺寸的缩小，它们所依赖的储能设备也应如此。超级电容器——具有高储能能力，而且能够处理快速充放电循环的能力，这会破坏传统的化学电池——近年来已经缩小到“微型”尺寸。现在，印度的研究人员使用二维材料石墨烯和二硫化钼 (MoS 2 ) 报告了迄今为止最小的微型超级电容器。

位于班加罗尔的印度科学研究所仪器与应用物理学教授Abha Misra表示，这种最新的微型超级电容器实际上不负众望。尽管上一代设备的尺寸为微米级，但尺寸更接近毫米级，“我们已经实现了三个数量级的尺寸缩减，”她说。“我们真的达到了微米尺度。”

超级电容器是电池和电容器的混合体。电容器通过在由薄绝缘材料隔开的两个导电表面上积累电荷来储存能量。与此同时，电池通过电化学反应将化学能转化为电能。

与电池一样，超级电容器由两个电极组成——通常由超级电容器中的碳材料制成——浸渍有允许离子流过的液体电解质。施加电压时，电解质中的离子会移动到带相反电荷的电极表面。电荷在电极和电解质之间的界面处累积，形成所谓的“双电层”。这使它们能够快速储存和输送大量能量。除了快速充电和高功率外，它们的使用寿命也比电池长得多。

为了制造用于小型电子产品和传感器的微型超级电容器，研究人员使用了各种形式的石墨烯作为电极。“人们通常制作石墨烯墨水并将其喷涂在电极上，”米斯拉说。这个过程通常会产生小型毫米级超级电容器。但该设备的功能通常难以控制，而石墨烯的喷涂应用会产生随机结构，这会限制电容，她说。

Misra 和她的同事们用多层电极制造了超微型超级电容器。每个电极由顶部有几片石墨烯的几片 2D MoS 2组成。一旦研究人员在二氧化硅基板上制作出分层电极，他们就会用凝胶电解质覆盖它们。所得装置的电容为每平方厘米 1.8 毫法拉 (mF/cm² )。

二维材料的优势在于它们是半导体，她说。所以每个电极本质上都是一个场效应晶体管。当研究人员从二氧化硅下方施加栅极电压时，电子会被吸引到材料表面。这会将离子吸入 MoS 2和石墨烯片之间的空间。所以现在，她解释说，双电层不仅在电极-电解质界面上形成，它也在电极层之间形成。这使得电容猛增 30 倍，达到 54 mF/cm²。

其他人报告了超级电容器设备的更高电容值。但对于其真正的微米尺寸，新设备显示出异常高的电容，Misra 说。此外，这些设备提供了更容易与电子芯片集成的选项，因为它们使用凝胶电解质而不是液体，她说。

该团队现在计划使用其他 2D 材料制造设备，看看它们是否可以进一步提高电容。

编辑：黄飞