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纳米石墨设备美国开发纳米设备充电装置

据美国物理学家组织网近日报道,美国莱斯大学在储能设备微型化研究方面取得新进展,开发出两款微型的充电装置,一种是薄膜式超级电容器,另一种是可充放电的纳米线,有望为将来的微型电子产品和纳米设备提供电源。这两项研究分别发表在近期《自然-纳米技术》网站和《纳米快报》上。

“虽然我们还很难推测这些供电器能给什么样的设备供电,随着纳米电子设备的发展,要求使用越来越小的电源,比如一些MEMS(微型机电系统)。中等设备有时也需要这些材料来供电,这种小型充电装置很有前景。”莱斯大学朴利克-阿加延说。

“很多人多年来一直在研究氧化石墨(GO),我们发现了氧化石墨能形成离子传导膜这一根本机制,而这在我们的薄膜电容器中非常关键。”阿加延解释说,当氧化石墨与水结合时能形成一种离子导体,容纳离子并作为一种固态的电解质和电绝缘层。氧化石墨能像海绵一样吸水,可容纳自身重量16%的水。“由此我们能把一薄层氧化石墨变成超级电容而无需添加任何东西,所要做的只是给电池制作图案和添加电极,而且这种装置还能用于外加电解液。”

激光产生的热量能将氧化石墨表面的氧吸出,使其变成可导电的还原氧化石墨(RGO),因此通过激光刻写技术,能把一薄层还原氧化石墨覆盖在氧化石墨上,并用绝缘的氧化石墨把导电的还原氧化石墨隔开,将其变成独立式超级电容器,能循环充放电数千次。经测试,这种薄膜电容展现了良好的电化性能,且不会产生化学副产物。

而可充放电的纳米线是一种混合型的电化装置,阳极是镍—锡(Ni-Sn),阴极是聚苯胺(PANI),结合了高能电池和超级电容器的优点。“它把阳极、阴极和电解质等关键组件都整合在一根纳米线上,这种充电设备代表了微型化的终极形式。”阿加延说,“随着纳米技术和制造技术的进步,各种功能性纳米线将成为未来纳米技术应用领域的基本建材。”

这些纳米线还能排成阵列提高供电能力。研究人员制作了一种模板,模板上有许多直径约200纳米的小孔,并给这些孔镀上一层铜膜;然后把镍—锡阳极嵌进去一半深度,再用化学方法将小孔扩大,给镍—锡涂上一薄层氧化聚乙烯(PEO)作为隔离层;最后用渗滤工艺将聚苯胺阴极接入小孔另一半。纳米线只有几微米长,整个设备加起来不过0.5平方厘米大小。多个这种装置还可以并联,经过反复充放电测试,证明其性能良好,是一种很有前景的纳米电源设备。

研究人员还指出,在一根纳米线上制造功能完备的供电设备,有助于研究纳米尺度下的电化作用,提高电池性能,最终开发出的单根纳米线电池将能给一些纳米线半导体设备供电。

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