塑料超级电容器可解决能源存储问题 新工艺培育出的 PEDOT 纳米纤维具有卓越的导电性和更大的表面积，可存储电荷

主要启示

• 一种名为 PEDOT 的塑料具有导电性，目前用于保护电子设备内部元件免受静电干扰，也可用于有机太阳能电池和电致变色设备，但它还具有类似电池的电荷存储能力。
• 加州大学洛杉矶分校的化学家们创造出了一种新型纹理、毛皮状的 PEDOT 薄膜，这种薄膜具有更大的表面积来存储电荷，并用它制造出了一个超级电容器，其存储的电荷是传统 PEDOT 的近十倍，可持续充电近 10 万次。
• 随着全球向可再生、可持续能源生产过渡，这一进展可能会导致超级电容器的出现，从而满足一些能源存储需求。

塑料塑造了我们的现代世界，改变了我们的生活方式。几十年来，塑料因其出色的绝缘性能主要用于电子产品。但在 20 世纪 70 年代，科学家们意外地发现某些塑料还能导电。这一发现彻底改变了这一领域，为其在电子和能源储存领域的应用打开了大门。

目前应用最广泛的导电塑料之一叫做 PEDOT，是聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）的缩写。PEDOT 是一种柔韧的透明薄膜，通常用于照相胶片和电子元件的表面，以保护它们不受静电干扰。它还可用于触摸屏、有机太阳能电池和电致变色设备，如按下按钮即可由亮变暗的智能窗户。不过，PEDOT 的储能潜力一直受到限制，因为市面上的 PEDOT 材料缺乏储存大量能量所需的导电性和表面积。

加州大学洛杉矶分校的化学家们正在利用一种创新方法来控制 PEDOT 的形态，从而精确地生长出纳米纤维，以应对这些挑战。这些纳米纤维具有优异的导电性和更大的表面积，而这两点对于提高 PEDOT 的储能能力至关重要。发表在 Advanced Functional Materials 上的一篇论文介绍了这种方法，证明了 PEDOT 纳米纤维在超级电容器应用方面的潜力。

超级电容器与电池有何不同？

电池通过缓慢的化学反应储存能量，而超级电容器则通过在其表面积累电荷来储存和释放能量。超级电容器的充放电速度极快，因此非常适合需要快速爆发电能的应用，如混合动力汽车和电动汽车的再生制动系统以及照相机闪光灯。因此，更好的超级电容器是减少对化石燃料依赖的途径之一。

EDOT 单体蒸汽与氧化石墨烯和氯化铁液滴反应形成 PEDOT 纳米纤维的示例。

然而，超级电容器面临的挑战是如何制造出具有足够表面积的材料，以储存大量能量。传统的 PEDOT 材料在这方面存在不足，从而限制了其性能。

加州大学洛杉矶分校的化学家们通过一种独特的气相生长工艺生产出了这种新材料，制造出了垂直的 PEDOT 纳米纤维。这些纳米纤维就像向上生长的茂密小草，大大增加了材料的表面积，使其能够储存更多能量。通过在石墨片上滴加一滴含有氧化石墨烯纳米片和氯化铁的液体，研究人员将该样品暴露在最终形成 PEDOT 聚合物的前体分子蒸汽中。与传统的 PEDOT 材料相比，这种聚合物并没有形成非常薄的平膜，而是长成了厚厚的毛皮状结构，从而显著增加了表面积。

通讯作者、加州大学洛杉矶分校材料科学家马希尔-埃尔-卡迪（Maher El-Kady）说：”这种材料独特的垂直生长方式使我们能够制造出比传统 PEDOT 储存更多能量的 PEDOT 电极。“电荷存储在材料表面，而传统的 PEDOT 薄膜没有足够的表面积来存储大量电荷。我们增加了 PEDOT 的表面积，从而提高了其容量，足以制造出超级电容器。

作者利用这些 PEDOT 结构制造出了超级电容器，其电荷存储容量极高，循环稳定性也非同一般，达到了近 10 万次循环。这一进展可以为更高效的储能系统铺平道路，直接应对可再生能源和可持续发展方面的全球性挑战。

El-Kady 说：”聚合物本质上是由称为单体的较短分子块构成的长分子链。“可以把它想象成由单个珠子串成的项链。我们在一个腔体内加热液态单体。随着蒸汽的上升，它们与石墨烯纳米片表面接触时会发生化学反应。这种反应会使单体结合并形成垂直的纳米纤维。这些纳米纤维的表面积要大得多，这意味着它们可以储存更多的能量”。

新型 PEDOT 材料的成果

新型 PEDOT 材料取得了令人瞩目的成果，在多个关键领域都超出了预期。它的导电性比商用 PEDOT 产品高出 100 倍，使其在电荷存储方面的效率大大提高。更难能可贵的是，这些 PEDOT 纳米纤维的电化学活性表面积是传统 PEDOT 的四倍。表面积的增加至关重要，因为它可以在相同体积的材料中储存更多的能量，从而显著提高超级电容器的性能。

新工艺在石墨烯薄片上生长出一层厚厚的纳米纤维，因此这种材料是迄今为止报告的 PEDOT 电荷存储容量最高的材料之一–每平方厘米超过 4600 毫法拉，比传统 PEDOT 高出近一个数量级。此外，这种材料的耐用性也令人难以置信，可持续充电 7 万次以上，远远超过传统材料。这些进步为超级电容器的发展打开了大门，超级电容器不仅速度更快、效率更高，而且寿命更长，这些都是可再生能源行业所必需的品质。

“我们的电极性能卓越、经久耐用，这表明石墨烯 PEDOT 在超级电容器中的应用潜力巨大，可以帮助我们的社会满足能源需求，”通讯作者、加州大学洛杉矶分校化学系和材料科学与工程系杰出教授 Richard Kaner 说，他的研究团队 37 年来一直处于聚合物研究的前沿。作为一名博士生，Kaner 为他的导师 Alan MacDiarmid 和 Alan Heeger 发现导电塑料做出了贡献。

这项研究的其他作者包括 Musibau Francis Jimoh、Gray Carson 和 Mackenzie Anderson，他们也都在加州大学洛杉矶分校就读。

原文信息

Direct Fabrication of 3D Electrodes Based on Graphene and Conducting Polymers for Supercapacitor Applications

https://doi.org/10.1002/adfm.202405569