新型石墨烯結(jié)構(gòu)兼具高功率和高能量密度

研究示意圖。圖片來源：《自然·通訊》雜志

澳大利亞莫納什大學(xué)科學(xué)家開發(fā)出一種高度彎曲的新型石墨烯結(jié)構(gòu)，兼具高功率和高能量密度，可用于制造性能優(yōu)異的超級電容器。這一突破為電氣化交通、電網(wǎng)穩(wěn)定及下一代消費電子產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)成果發(fā)表于最新一期《自然·通訊》雜志。

超級電容器是一種以靜電方式儲存電荷的新型儲能裝置，其工作原理不同于依賴化學(xué)反應(yīng)的電池。然而長期以來，該類器件面臨一個關(guān)鍵瓶頸問題：碳材料中可用于儲存能量的表面積比例過低。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，只需調(diào)整材料的熱處理方式，就能顯著提高其可利用的表面積。這一進展使得制造出既能快速充電、又可儲存大量能量的超級電容器成為可能，從而使其能在眾多應(yīng)用中替代電池，并實現(xiàn)更高效的能量傳輸。

這項突破的核心在于一種名為“多尺度還原氧化石墨烯”的新型材料結(jié)構(gòu)。研究團隊使用澳大利亞豐富的天然石墨，通過快速熱退火工藝，形成了一種高度彎曲的石墨烯結(jié)構(gòu)，為離子提供了高效遷移的路徑，最終使材料同時具備高功率和高能量密度——這一組合在單一器件中極為罕見。

能量密度指單位體積或質(zhì)量所能儲存的能量，功率密度則指單位體積或質(zhì)量所能輸出的最大功率。在電池設(shè)計中，二者往往難以兼顧，提高能量密度通常導(dǎo)致功率密度下降，反之亦然。

研究人員將該材料組裝成超級電容器，測試結(jié)果顯示，其能量密度高達99.5瓦小時/升，功率密度達69.2千瓦/升，同時具備快速充電能力和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。這些性能指標(biāo)在碳基超級電容器中位居前列，且該制備工藝具備可擴展性。