一種新方法生產的PEDOT納米纖維具有增強的導電性和增加的表面積，以改善電荷存儲。

加州大學洛杉磯分校的化學家開發了一種新的紋理、毛皮狀的PEDOT（聚合物），這是一種導電塑料，通常用于保護電子設備免受靜電影響，也用于太陽能電池和電致變色顯示器等設備。這種創新形式顯著增加了材料的表面積，使其能夠存儲比標準PEDOT多近十倍的電荷。當用于超級電容器時，它還可以承受近100000次充電循環。隨著世界轉向可再生和可持續能源，這一突破可能有助于超級電容器在能源存儲中發揮更大的作用。

塑料塑造了我們的現代世界，改變了我們的生活方式。幾十年來，它們主要用于電子產品，因為它們具有優異的絕緣性能。然而，在20世紀70年代，科學家偶然發現一些塑料也可以導電。這一突破徹底改變了該領域，為電子和能源存儲的新應用鋪平了道路。

目前使用最廣泛的導電塑料之一是聚（3,4-乙烯二氧噻吩），俗稱PEDOT。這種材料形成一種靈活的透明薄膜，通常應用于諸如照相膠片和電子元件等表面，以防止靜電積聚。PEDOT還用于觸摸屏、有機太陽能電池和電致變色設備，比如按一下按鈕就能改變透明度的智能窗戶。

盡管PEDOT有許多應用，但它在能源存儲方面的應用仍然有限。商業形式的PEDOT通常具有低導電性和有限的表面積，這限制了它們存儲大量能量的能力。

加州大學洛杉磯分校的化學家們正在用一種創新的方法來解決這些挑戰，以控制PEDOT的形態，從而精確地生長納米纖維。這些納米纖維具有優異的導電性和擴大的表面積，這兩者對于增強PEDOT的儲能能力至關重要。發表在《先進功能材料》雜志上的一篇論文描述了這種方法，證明了PEDOT納米纖維在超級電容器中的應用潛力。

超級電容器 VS 電池

與通過緩慢的化學反應儲存能量的電池不同，超級電容器通過在其表面積累電荷來儲存和釋放能量。這使得它們能夠非常快速地充電和放電，使其成為需要快速爆發電力的應用的理想選擇，例如混合動力和電動汽車的再生制動系統以及相機閃光燈。因此，更好的超級電容器是減少對化石燃料依賴的一條途徑。

然而，超級電容器面臨的挑戰是創造出具有足夠表面積來容納大量能量的材料。傳統的PEDOT材料在這方面不足，這限制了它們的性能。

加州大學洛杉磯分校的化學家們通過一種獨特的氣相生長工藝生產出了垂直PEDOT納米纖維。這些納米纖維，就像向上生長的濃密的草，極大地增加了材料的表面積，使其能夠儲存更多的能量。通過在石墨薄片上加入一滴含有氧化石墨烯納米片和氯化鐵的液體，研究人員將樣品暴露在前體分子的蒸氣中，最終形成PEDOT聚合物。這種聚合物不是發展成一層非常薄的扁平薄膜，而是發展成一種厚的皮毛狀結構，與傳統的PEDOT材料相比，它的表面積大大增加。

卓越的儲能能力

通訊作者、加州大學洛杉磯分校材料科學家Maher El-Kady說：“這種材料獨特的垂直生長使我們能夠制造出比傳統PEDOT存儲更多能量的PEDOT電極。”“電荷存儲在材料的表面，傳統的PEDOT薄膜沒有足夠的表面積來容納太多的電荷。我們增加了PEDOT的表面積，從而增加了它的容量，足以建造一個超級電容器。”

作者使用這些PEDOT結構制造了具有優異電荷存儲能力和非凡循環穩定性的超級電容器，循環次數接近10萬次。這一進展可以為更高效的能源存儲系統鋪平道路，直接解決可再生能源和可持續性方面的全球挑戰。

El-Kady說：“聚合物本質上是由稱為單體的較短塊組成的長鏈分子。”“把它想象成一條由單個珠子串在一起制成的項鏈。我們在一個腔室里加熱單體的液態。當蒸汽上升時，當它們接觸到石墨烯納米片的表面時會發生化學反應。這個反應使單體結合并形成垂直的納米纖維。這些納米纖維具有更高的表面積，這意味著它們可以儲存更多的能量。”

破紀錄的結果和持久性

新的PEDOT材料顯示出令人印象深刻的結果，在幾個關鍵領域超出預期。它的導電性比商用PEDOT產品高100倍，使其在電荷存儲方面效率更高。更值得注意的是，這些PEDOT納米纖維的電化學活性表面積是傳統PEDOT的四倍。增加的表面積至關重要，因為它允許在相同體積的材料中存儲更多的能量，從而顯著提高超級電容器的性能。

由于新工藝在石墨烯片上生長了一層厚厚的納米纖維，這種材料現在具有PEDOT迄今為止報道的最高電荷存儲容量之一 —— 每平方厘米超過4600毫拉法，比傳統的PEDOT高出近一個數量級。最重要的是，這種材料非常耐用，可以持續7萬多次充電，遠遠超過傳統材料。這些進步為超級電容器打開了大門，這些超級電容器不僅更快、更高效，而且更持久，這是可再生能源行業的基本品質。

“我們電極的卓越性能和耐用性表明，石墨烯PEDOT在超級電容器中的應用具有巨大的潛力，可以幫助我們的社會滿足我們的能源需求，”通訊作者、加州大學洛杉磯分校化學和材料科學與工程杰出教授Richard Kaner說，他的研究團隊37年來一直處于聚合物研究的前沿。作為一名博士生，Kaner為他的顧問Alan MacDiarmid和Alan Heeger發現導電塑料做出了貢獻，他們的工作后來獲得了諾貝爾獎。

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