柔性襯底:這些扁平的超級電容器可以直接安裝在微電路上，如果需要的話，它們(men) 甚至可以彎曲。照片：MAHER EL-KADY/加州大學洛杉磯分校

電容器。打開你的電腦，它們(men) 就像沙灘上的岩石一樣突出。它們(men) 是一種從(cong) 未真正被微型化的電子設備。如果它們(men) 最終遵從(cong) 摩爾定律，將自身壓縮到微觀尺度，那麽(me) 電子工程師的生活就會(hui) 輕鬆很多。

使用微小但功能強大的電容器，就可以製造更便宜、更小巧的心髒起搏器和計算機。它們(men) 在非易失性存儲(chu) 器、微傳(chuan) 感器和執行器、RFID標簽和微電子機械係統等領域都有很大的應用價(jia) 值，在這些應用中，電源的重量可達其他部件總和的 10 倍。並且因為(wei) 與(yu) 所有電容器一樣，此類設備能夠非常快速地釋放電荷，因此它們(men) 可以與(yu) 高能電池結合使用以提供周期性電湧，就像傳(chuan) 統電容器為(wei) 智能手機相機中的閃光燈供電一樣。（小型化的超級電容器因此可以使智能手機變得更薄。）

加利福尼亞(ya) 大學洛杉磯分校的小組使用簡單的 DVD 刻錄機製造出了這種微超級電容器，用單原子厚的石墨烯薄片，這些器件就在石墨烯薄片上陣列成型。再加上電池，這樣的超級電容器可以讓手機運行好幾天。而且由於(yu) 陣列的厚度不到 10 微米——遠比人的頭發細——它是完全靈活的。在柔性基板上構建這些陣列，它們(men) 可以為(wei) 一個(ge) 卷起來的顯示器提供動力。

所有這些工藝都可以以低成本完成。我們(men) 的製造方法可以很容易地擴大規模，我們(men) 的微型超級電容器可以很容易地集成到矽芯片上。在許多情況下，它們(men) 可以彌補電池固有的弱點，例如相對較慢的功率傳(chuan) 輸和較長的充電時間。因此，即使在這些設備無法替代電池的應用中，它們(men) 也會(hui) 極大地增強它們(men) 。

用數十個(ge) 超級電容器平鋪光盤

作者一次生產(chan) 了許多超級電容器，每個(ge) 裝置由石墨氧化物絕緣體(ti) 隔開的石墨烯電極組成，電極頂部有一滴電解液。

首先，作者將塑料基板粘在標準DVD上。

接下來，他們(men) 在塑料表麵塗上氧化石墨，這種材料能傳(chuan) 導離子，但不能傳(chuan) 導電子。這使其成為(wei) 電容器電極之間的極好電介質。

然後他們(men) 將光盤插入到一個(ge) 激光刻錄機中，該刻錄機的激光通常會(hui) 在dvd上蝕刻標簽。在這裏，它將一些氧化石墨蝕刻到石墨烯電極中。

交錯電極設計使接口和電容最大化。一滴電解液就能把它變成超級電容器。

插圖來源：James Provost

以鉛酸電池為(wei) 例。如果摩爾定律一直適用於(yu) 半導體(ti) ，那麽(me) 一個(ge) 功能齊全的汽車電池現在應該隻有一個(ge) 紅細胞那麽(me) 大。但這項發明於(yu) 1859 年的技術早已成熟。鎳鎘電池和鎳金屬氫化物電池技術最近才成熟，但它們(men) 的功率和能量密度也接近其理論極限。即使是自 1990 年代初以來能量密度增加了兩(liang) 倍的鋰離子電池，其技術增長也已接近尾聲。

電池不能遵循摩爾定律，因為(wei) 沒有一種已知材料可以將巨大的電荷壓縮到一個(ge) 小體(ti) 積裏。我們(men) 現有的微電池價(jia) 格昂貴，因為(wei) 它們(men) 的製造過程複雜且耗時。我們(men) 也不可能從(cong) 已經提出的各種能源收集計劃中找到拯救；它們(men) 隻是沒有為(wei) 產(chan) 品設計師提供必要的性能和可靠性。

但是電容器提供了另一種形式的存儲(chu) 。我們(men) 已經找到了一種方法讓他們(men) 搭上摩爾定律的順風車。

傳(chuan) 統的電容器是由兩(liang) 個(ge) 由薄絕緣層隔開的金屬板製成的。它在兩(liang) 個(ge) 帶相反電荷的極板產(chan) 生的電場中以靜電方式存儲(chu) 電荷。能儲(chu) 存多少電荷是由器件的電容決(jue) 定的。它是一個(ge) 金屬板的麵積（通常小於(yu) 一平方米）除以它們(men) 之間的間距（通常約為(wei) 一微米或更小）的函數。因此，要增加電荷，你必須使麵積最大化，使距離最小化。

超級電容器借用了一點電池技術——電解液——來減少距離。超級電容器定義(yi) 為(wei) 電雙層電容器。它由兩(liang) 個(ge) 浸有液體(ti) 電解質的電極組成，並由離子滲透層隔開，以防止電極之間的短路。當施加電壓時，電解液中的離子移動到電荷相反的電極表麵。電荷聚集在電極和電解質之間的界麵上，形成兩(liang) 層帶電層或電雙層，它們(men) 之間僅(jin) 相隔一納米左右。

我們(men) 的超級電容器形式還改善了麵積，這是另一個(ge) 變量。石墨烯的原子厚的片層具有最高的表麵積與(yu) 體(ti) 積比：一克石墨烯可以鋪平 2630 平方米。再加上 1 納米的電荷分離，它產(chan) 生的電容是普通陶瓷電容器的 100 萬(wan) 倍，是典型電解電容器的 10000 倍。

我們(men) 對能量儲(chu) 存的興(xing) 趣可以追溯到20世紀80年代早期，在加州大學伯克利分校的 Neil Bartlett 實驗室，我們(men) 中的一個(ge) (Kaner) 是一名博士後學者，致力於(yu) 研究新型石墨。這種類型的碳被廣泛應用於(yu) 鋰離子電池，因為(wei) 它便宜，導電性高，並能有效存儲(chu) 鋰離子。然而，其較低的表麵積與(yu) 質量比限製了其儲(chu) 存電荷的能力。但這給了 Bartlett 一個(ge) 主意：製造一種“多孔”石墨，其表麵積需要儲(chu) 存大量電荷。不幸的是，他的伯克利團隊當時無法實現這種在原子尺度上鑽 3D 孔的自上而下的想法。

我們(men) 花了30年的時間，最終在加州大學洛杉磯分校的實驗室用自下而上的方法解決(jue) 了這個(ge) 問題。我們(men) 從(cong) 單獨的氧化石墨片開始，這是一種有150年曆史的親(qin) 水性材料，因此很容易在水中加工成薄膜或塗在幾乎任何基材上。幾年前，我們(men) 發現，通過用強激光照射氧化石墨，我們(men) 可以以二氧化碳的形式將氧蒸發，留下一種三維形式的石墨烯——多孔石墨。本質上，我們(men) 將二維石墨烯片組裝成一個(ge) 宏觀的三維網絡，看起來就像波瓦楞紙板。

這種波紋碳具有非凡的特性。我們(men) 發現，電子在3D石墨烯中的移動速度是用於(yu) 電池的石墨的100倍，是最先進的碳納米管的10倍。這種快速性意味著超級電容器可能是一個(ge) 極好的應用。

我們(men) 還有一個(ge) 技術問題需要解決(jue) :幾何。傳(chuan) 統的超級電容器由垂直堆疊的電極對組成，就像高層建築的樓層一樣，但大多數集成係統都是平麵布局的，因此隻能容納單層結構。我們(men) 需要一種能夠以與(yu) 現代微電子學兼容的方式製造的平麵幾何結構。

易於(yu) 應用：不需要離子沉積機，隻需手工操作的吸管就可以在光盤上塗上氧化石墨。

圖片:maher el-kady / ucla (4)

我們(men) 在 LightScribe 中找到了解決(jue) 方案，這是一種廉價(jia) 、現成的激光技術，數百萬(wan) 人已經使用它在光盤上蝕刻標簽和設計。然而，我們(men) 沒有使用塗有活性染料的光盤，這種染料在激光照射下會(hui) 改變顏色，而是使用了一層非常薄的氧化石墨塗層。激光加熱氧化物，在精確定義(yi) 的軌道上將其轉化為(wei) 石墨烯，間隔一微米。這些是電極。在中間我們(men) 留下未經處理的氧化石墨，它傳(chuan) 導離子但不傳(chuan) 導電子，因此可以作為(wei) 正負石墨烯電極之間的極好電介質。為(wei) 了完成這個(ge) 電池，我們(men) 在圖案的頂部加入了一滴凝膠電解質，以提供一點類似電池的存儲(chu) ——與(yu) 傳(chuan) 統超級電容器使用的技術相同。

插圖：GREG MABLY

通過“交錯”電極以類似於(yu) 交錯的手指，我們(men) 大大擴展了界麵，從(cong) 而增加了電荷可以附著的表麵積。同時，我們(men) 縮短了電解質中離子需要擴散的路徑。這很重要，因為(wei) 超級電容器通過在石墨烯表麵吸附離子來儲(chu) 存電荷，因此離子擴散速率控製著超級電容器的充電和放電速率。更快的離子擴散意味著更快的充電和放電能力。因此，新的叉指式超級電容器表現出比堆疊式超級電容器更大的電荷存儲(chu) 容量。

這些微超級電容器的加工不需要掩膜或昂貴的潔淨室。這種單步激光書(shu) 寫(xie) 方法可以以傳(chuan) 統微製造技術成本的一小部分生產(chan) 設備。在我們(men) 的實驗室裏，我們(men) 現在可以在不到30分鍾的時間裏在一個(ge) 磁盤上生產(chan) 100個(ge) 這樣的設備，而且還有很大的改進空間。當然，製造商可以通過簡單地同時運行滿屋子的DVD刻錄機來加快速度。使用工業(ye) 規模的激光雕刻機優(you) 化用於(yu) 大規模生產(chan) 的燃燒器會(hui) 更好，現在工業(ye) 級激光雕刻機廣泛用於(yu) 工業(ye) 標記產(chan) 品，以便以後可以跟蹤它們(men) 。激光雕刻機可以構造在一個(ge) 傳(chuan) 送帶係統使用長卷氧化石墨。

其結果是一個(ge) 非常緊湊的二維裝置，可以直接與(yu) 矽電路集成。相比之下，今天的電腦主板需要在電子設備和備用電源之間進行複雜的互連，通常是一個(ge) 硬幣大小的鋰電池，當係統斷電時，它能保持內(nei) 存的活力。由於(yu) 它們(men) 可以集成在芯片上，這些微型超級電容器可以更容易地從(cong) 機械、熱能和太陽能中提取能量。例如，它們(men) 可以被製造在太陽能電池的背麵，用來儲(chu) 存白天產(chan) 生的能量，以便在太陽下山後使用。目前的典型做法是使用電池，但超級電容器會(hui) 更好，因為(wei) 它們(men) 可以更有效地提取電荷，損耗最小。此外，集成超級電容器可以簡化用於(yu) 傳(chuan) 統能源收集和存儲(chu) 係統的外部布線。

離子上下，電子來回

電極(灰色)由一堆鐵絲(si) 形狀的石墨烯組成，它可以導電。正極(紅色)和負極(藍色)離子在電極之間流動，完成超級電容中類似電池的電路。

插圖：James Provost

我們(men) 的設計還回避了當今電源的主要挑戰之一：電解液泄漏。電池和傳(chuan) 統超級電容器都使用高腐蝕性液體(ti) 來實現這一功能，隨著設備老化，這種液體(ti) 有時會(hui) 逸出，侵蝕電路和周圍的組件。結果是電池失效，有時甚至起火。我們(men) 的微型超級電容器采用全固態電解質，我們(men) 將其直接應用於(yu) 叉指圖案。

對於(yu) 這種固體(ti) 電解質，我們(men) 有很多選擇。我們(men) 可以使用凝膠聚合物電解質，通過用電解質溶液溶脹聚合物基質製成，或者我們(men) 可以通過添加聚合物或二氧化矽納米粉末來固化離子液體(ti) 。這種無泄漏設計，加上幾乎無限次數的充電和放電循環，意味著我們(men) 的超級微電容器可能比芯片上的所有其他電子設備更耐用。當打開東(dong) 西來更換電源（如心髒起搏器、除顫器和其他醫療植入物）不方便或危險時，如此長的使用壽命將特別有用。

Germ’s Eye View：不斷放大的電極圖顯示了三維石墨烯網絡，最後是相互連接的孔隙。圖片來源：MAHER EL-KADY/加州大學洛杉磯分校（2）；維羅妮卡·斯特朗/加州大學洛杉磯分校 (2)

我們(men) 的直接激光書(shu) 寫(xie) 技術的另一個(ge) 有趣的特點是能夠將任意數量的微超級電容器連接在一起，以產(chan) 生高電壓和高電流輸出的模塊。這比用笨拙的線路把許多電池連接在一起要好得多。更重要的是，我們(men) 可以在一個(ge) 非常小的體(ti) 積裏裝更多的高壓超級電容器，這比目前的任何方案都要更能實現。

最近，我們(men) 的團隊製作了一種混合電容器，結合了電容器和電池的最佳特性。我們(men) 通過在超級電容器的波紋狀石墨烯結構中生長二氧化錳來製造這種混合器件。這種混合動力電池可以在幾分鍾內(nei) 完成充電，但其能量密度高達市售微型電池的 10 倍。混合設備的厚度隻有一張紙的五分之一；它的封裝可以從(cong) 幾平方微米到厘米級不等。厘米級設備的電容範圍在 400 到 1,000 毫法拉之間——足以為(wei) LED 手電筒供電一個(ge) 小時。

由於(yu) 它們(men) 的功率和緊湊性，我們(men) 的微型超級電容器將開辟新的機遇。可以把它們(men) 織進繃帶的布料裏這樣它就能發出一點電流來刺激藥物緩慢而穩定的釋放。或者，可以將它們(men) 集成到智能卡上，以提供一個(ge) 獨立的機載能源，在被盜用時可以利用該能源擦除存儲(chu) 的數據。

位於(yu) 洛杉磯的初創公司Nanotech Energy正在探索我們(men) 的設備的商業(ye) 應用。在微型超級電容器進入照相手機、RFID 標簽和太陽能電池之前，單位成本應該會(hui) 直線下降。隨著摩爾定律開始全麵生效，超級電容器將開始縮小到看不見的地方。正如電子工程師所熟知的那樣，底部有足夠的空間。