新型导电塑料诞生，可大幅提升超级电容器性能

IT之家 1 月 22 日消息，塑料作为现代社会中不可或缺的材料，具有优异的绝缘性能。然而，20 世纪 70 年代，科学家偶然发现某些塑料也具有导电性，这一发现彻底改变了材料科学的格局，并为电子设备和能源存储领域开辟了新的应用前景。

据IT之家了解，聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）是目前应用最广泛的导电塑料之一。PEDOT 是一种柔韧、透明的薄膜，常用于保护摄影胶片和电子元件免受静电干扰，同时也被应用于触摸屏、有机太阳能电池和电致变色设备（如智能窗户）中。然而，由于商业化的 PEDOT 材料导电性和表面积有限，其在能源存储领域的潜力一直受到限制。

加州大学洛杉矶分校（UCLA）的化学家们通过一种创新方法，成功控制了 PEDOT 的形态，使其生长出精确的纳米纤维结构。这些纳米纤维不仅具有优异的导电性，还显著增加了材料的表面积，从而大幅提升了 PEDOT 的能源存储能力。相关研究成果发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊上。

超级电容器与电池的工作原理截然不同。电池通过缓慢的化学反应存储能量，而超级电容器则通过在材料表面积累电荷来存储和释放能量。这种机制使得超级电容器能够极快地充放电，非常适合需要快速能量释放的应用场景，例如混合动力和电动汽车的动能回收系统以及相机闪光灯。因此，开发性能更优的超级电容器是减少对化石燃料依赖的重要途径之一。然而，超级电容器面临的主要挑战是如何制造出具有足够表面积的材料以存储大量能量，而传统的 PEDOT 材料在这方面表现不佳。

UCLA 的研究团队通过一种独特的气相生长工艺，成功制备出垂直排列的 PEDOT 纳米纤维。这些纳米纤维形似向上生长的茂密草丛，显著增加了材料的表面积，从而使其能够存储更多能量。具体而言，研究人员在石墨片上滴加含有氧化石墨烯纳米片和三氯化铁的液体，随后将样品暴露于 PEDOT 前体分子的蒸汽中。与传统的 PEDOT 材料形成薄而平的薄膜不同，这种新方法使聚合物生长出厚实的绒毛状结构，表面积大幅增加。

“这种材料的垂直生长特性使我们能够制造出比传统 PEDOT 存储更多能量的电极，”该研究的通讯作者、UCLA 材料科学家 Maher El-Kady 解释道，“电荷存储在材料表面，而传统的 PEDOT 薄膜表面积不足，无法存储大量电荷。我们通过增加 PEDOT 的表面积，显著提升了其容量，从而能够用于制造超级电容器。”

实验结果显示，这种新型 PEDOT 材料在多个关键指标上表现优异，远超预期。其导电性是商业化 PEDOT 产品的 100 倍，使其在电荷存储方面更加高效。更令人瞩目的是，这些 PEDOT 纳米纤维的电化学活性表面积是传统 PEDOT 的四倍。表面积的增加意味着在相同体积的材料中可以存储更多能量，从而显著提升了超级电容器的性能。

得益于这种新工艺，石墨烯片上生长的纳米纤维层具有迄今为止报道的最高电荷存储容量之一 —— 每平方厘米超过 4600 毫法拉，几乎是传统 PEDOT 的十倍。此外，这种材料还表现出极高的耐久性，能够经受超过 7 万次充放电循环，远超传统材料。这些突破为开发更快、更高效且更耐用的超级电容器铺平了道路，对可再生能源行业具有重要意义。

“我们的电极表现出卓越的性能和耐久性，这表明石墨烯 PEDOT 在超级电容器中的应用潜力巨大，有助于满足社会的能源需求，”另一位通讯作者、UCLA 化学与材料科学与工程杰出教授 Richard Kaner 表示。Kaner 的研究团队在导电聚合物领域已有超过 37 年的研究历史。他在博士期间曾参与导师 Alan MacDiarmid 和 Alan Heeger 关于导电塑料的发现，后者因此获得了诺贝尔奖。