新型导电塑料诞生，可大幅提升超级电容器性能

IT之家报道称，塑料是现代社会不可或缺的材料之一，拥有出色的绝缘性能。然而，20世纪70年代，科学家们意外地发现了某些塑料具有导电性，这个发现彻底改变了材料科学的面貌，为电子设备和能源存储领域带来了新的应用前景。

据悉，聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）是目前使用最广泛的导电塑料之一。PEDOT是一种柔软透明的薄膜，通常用于保护照片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，由于商用PEDOT材料的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，成功地控制了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出色的导电性，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。相关研究成果已发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊上。

超级电容器和电池的工作原理大不相同。电池是通过缓慢的化学反应来储存能量，而超级电容器则是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快速充放电，非常适合需要快速能量释放的应用场景，如混合动力和电动汽车的动能回收系统以及相机闪光灯等。因此，研发性能更优异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储存大量能量，而传统的PEDOT材料在这方面表现欠佳。

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密集草丛，显著增加了材料的表面积，使其能够储存更多能量。具体来说，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，然后将样品暴露于PEDOT前体分子的蒸汽中。与传统的PEDOT薄膜形成薄而平的薄膜不同，这种新方法使聚合物长出厚实的毛绒状结构，从而大幅增加表面积。

“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，”研究的通讯作者、UCLA材料科学家Maher El-Kady解释道，“电荷储存在材料表面，而传统的PEDOT薄膜表面积不足，无法储存大量电荷。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高效。更值得注意的是，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储存更多能量，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储存容量之一 —— 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，能够承受超过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。他在博士阶段曾参与导师Alan MacDiarmid和Alan Heeger有关导电塑料的发现，后者因此获得了诺贝尔奖。

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