塑料塑造了现代世界，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而主要用于电子产品。但在 20 世纪 70 年代，科学家意外发现某些塑料也能导电。这一发现彻底改变了该领域，为电子和储能应用打开了大门。
目前使用最广泛的导电塑料之一是 PEDOT，即聚(3,4-乙烯二氧噻吩)的缩写。PEDOT 是一种柔性透明薄膜，通常涂在摄影胶片和电子元件表面，以保护它们免受静电影响。它也用于触摸屏、有机太阳能电池和电致变色设备，例如只需按一下按钮即可从亮变暗的智能窗。
然而，PEDOT 的储能潜力受到限制，因为市售的 PEDOT 材料缺乏容纳大量能量所需的电导率和表面积。
加州大学洛杉矶分校的化学家们正在采用一种创新方法来应对这些挑战，即控制 PEDOT 的形态，从而精确地生长纳米纤维。这些纳米纤维表现出卓越的导电性和扩大的表面积，这两者对于增强 PEDOT 的储能能力至关重要。
《先进功能材料》杂志发表的一篇论文描述了这种方法，证明了 PEDOT 纳米纤维在超级电容器应用方面的潜力。
与通过缓慢化学反应储存能量的电池不同，超级电容器通过在其表面积累电荷来储存和释放能量。这使得它们能够极快地充电和放电，使其成为需要快速爆发功率的应用的理想选择，例如混合动力和电动汽车中的再生制动系统以及相机闪光灯。因此，更好的超级电容器是减少对化石燃料依赖的一种途径。
加州大学洛杉矶分校的化学家们通过独特的气相生长工艺生产出这种新材料，制成了垂直的 PEDOT 纳米纤维。这些纳米纤维类似于向上生长的茂密草丛，大大增加了材料的表面积，使其能够储存更多的能量。通过在石墨片上添加一滴含有氧化石墨烯纳米薄片和氯化铁的液体，研究人员将该样品暴露在前体分子的蒸汽中，最终形成了 PEDOT 聚合物。
这种聚合物并没有发展成非常薄的平面薄膜，而是长成了厚厚的毛皮状结构，与传统的 PEDOT 材料相比，其表面积显著增加。
“这种材料独特的垂直生长使我们能够制造出比传统 PEDOT 储存更多能量的 PEDOT 电极，”通讯作者、加州大学洛杉矶分校材料科学家 Maher El-Kady 说道。“电荷存储在材料表面，而传统 PEDOT 薄膜的表面积不足以容纳大量电荷。我们增加了 PEDOT 的表面积，从而将其容量提高到足以制造超级电容器的程度。”
作者利用这些 PEDOT 结构制造出具有出色电荷存储容量和非凡循环稳定性的超级电容器，循环次数达到近 100,000 次。这一进展可能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性方面的全球挑战。
“聚合物本质上是由称为单体的较短块组成的长分子链，”El-Kady 说道。“可以把它想象成由串在一起的单个珠子制成的项链。我们在室内加热液态单体。随着蒸汽上升，它们在接触石墨烯纳米薄片表面时发生化学反应。该反应导致单体结合并形成垂直纳米纤维。这些纳米纤维的表面积更大，这意味着它们可以储存更多的能量。”
这种新型 PEDOT 材料表现出了令人印象深刻的效果，在几个关键领域超出了预期。它的电导率比商用 PEDOT 产品高 100 倍，使其电荷存储效率更高。更引人注目的是，这些 PEDOT 纳米纤维的电化学活性表面积是传统 PEDOT 的四倍。这种增加的表面积至关重要，因为它允许在相同体积的材料中存储更多的能量，从而显著提高超级电容器的性能。
得益于在石墨烯片上生长出一层厚厚的纳米纤维的新工艺，这种材料现在具有迄今为止报道的 PEDOT 中最高的电荷存储容量之一——超过每平方厘米 4,600 毫法拉，比传统的 PEDOT 高出近一个数量级。
最重要的是，这种材料非常耐用，可以承受超过 70,000 次充电循环，远远超过传统材料。这些进步为超级电容器打开了大门，超级电容器不仅速度更快、效率更高，而且使用寿命更长，这是可再生能源行业必不可少的品质。
