受蕨葉分形結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究人員利用激光在石墨烯電極上蝕刻出重復(fù)結(jié)構(gòu)，得到一種全新的超級電容器。這種結(jié)構(gòu)的能量存儲密度比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)高30倍，可以顯著提升太陽能的應(yīng)用前景，特別是太陽能薄膜類產(chǎn)品的性能。
圖 | 新型電極結(jié)構(gòu)（右）可以與太陽能電池（左）組合，用于芯片級能量的收集和存儲
除了大家熟悉的電池外，能量儲存還有許多其他的選擇。例如，與鋰離子電池中的電化學(xué)反應(yīng)不同，電容器通過靜電來存儲能量，而超級電容器，就是擁有比傳統(tǒng)電容器高出數(shù)千倍的電容值。
超級電容器適用于高電流及短時間內(nèi)頻繁的充放電循環(huán)，尤其適合于太陽能應(yīng)用。這也是為什么太陽能行業(yè)對超級電容器有很大的興趣。然而，超級電容器太陽能系統(tǒng)還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，原因在于超級電容器的能量儲存密度不高，僅有約3×10-3 Whcm-3。
受大自然的啟發(fā)，來自澳大利亞墨爾本RMIT大學(xué)的研究人員成功改進(jìn)了存儲太陽能的電容器結(jié)構(gòu)，他們設(shè)計出了一種新型電極，與現(xiàn)有超級電容器集成時，可以將目前最先進(jìn)的基于超級電容器的太陽能存儲密度提高30倍。
他們的靈感便是西方劍蕨：葉子中密集地排布著靜脈結(jié)構(gòu)，可以有效地儲存能量和運(yùn)輸水分。它是世界上最豐富的蕨類植物之一，呈亮綠色，錐形，2至3英尺長（61～91厘米）。但是，很多人或許沒有意識到劍蕨的納米級結(jié)構(gòu)，它的葉子具有類似于雪花的重復(fù)結(jié)構(gòu)。
圖 | 西方劍蕨放大400倍的圖像,葉子的脈絡(luò)具有類似于雪花的重復(fù)結(jié)構(gòu)
澳大利亞研究人員設(shè)計的電極基于蕨類植物的天然高效分形結(jié)構(gòu)。為了模仿這種分形結(jié)構(gòu)，研究人員利用高精度激光脈沖來刻蝕石墨烯片，利用石墨烯諸多特性之一的優(yōu)良導(dǎo)電性。
測試表明，當(dāng)新型電極與超級電容器組合時，系統(tǒng)存儲電荷的時間更長，漏電流更小。
該研究發(fā)表在《科學(xué)報告》（Scientific Reports）上，研究員人員表示：“最令人興奮的是可以將這種電極與太陽能電池集成在一起，以提供全面的芯片能量采集和存儲方案?！?/span>
具體來說，這種新電極最大的應(yīng)用前景在于可以和薄膜太陽能電池相結(jié)合。薄膜太陽能電池應(yīng)用場景十分靈活，幾乎可以在任何地方捕獲太陽能——無論在窗戶、智能手機(jī)還是手表上。使用這種技術(shù)，我們甚至可能不需要電池就能給手機(jī)供能。
研究人員提到：“借助這種靈活的電極原型，我們成功解決了能量存儲的一大挑戰(zhàn)，并展示了如何將電極與太陽能電池相結(jié)合。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我們希望可以實(shí)現(xiàn)全方位的太陽能供電，使電子產(chǎn)品能夠自給自足！”
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編輯：梁博深
參考：
https://www.nature.com/articles/srep45585
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