新石墨烯電極：靈感來源於分形植物，為產業發展萌發新希望！

導讀

春天，一片欣欣向榮的景象。而大自然經常為科學家帶來靈感，最近澳大利亞皇家墨爾本理工大學的科研人員，受到美洲蕨類植物的啟發，開發了一種具有開創性意義的新型「石墨烯」基的電極原型，有望推動太陽能技術成為一種整體化的能源解決方案，不僅為太陽能科技發展帶來了新曙光，還為智能手機、智能穿戴、新能源汽車、智能建築等產業發展萌發了新希望。

現狀分析

這個故事的最好切入點還是「超級電容」。對於超級電容的概念，很多人會有些陌生，大家比較熟悉可能是鋰電池。那麼，超級電容是什麼？

（圖片來源於：維基百科）

不想繁瑣，繁瑣的留著以後探討，先簡單介紹下原理：

超級電容器，可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，實際上形成兩個電容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。

它具有功率密度高、循環壽命長、安全可靠等特點，可廣泛應用於電動汽車、大功率輸出設備等多個領域。

但是，它具有一個致命的弱點即「能量密度低」。有數據顯示，鋰電池的能量密度一般在100wh/kg ~ 200wh/kg 之間，但超級電容普遍只有10wh/kg左右。也就是說，超級電容的續航能力只有相同重量鋰電池的十分之一左右，正是由於這個緣故，限制了超級電容進一步推廣和大規模商用。

創新探索

超級電容器的核心元件是電極，而目前電極所採用的主要是碳材料，例如活性炭、活性炭纖維、碳氣溶膠、碳納米管。

然而，澳大利亞皇家墨爾本理工大學的創新技術正是針對電極進行了創新，使用了目前最熱門的二維材料「石墨烯」，有望將超級電容的「容量提升30倍」，另外這種電極還有一項優點，就是能開發出「柔性」的薄膜，從而更容易適用於工業應用場景，例如智能穿戴、新能源汽車、智能手機、智能建築等等，並將它們朝著「自我供電」的方向推進。

電極原型（右）可以結合太陽能電池（左），用於晶元上的能量吸收和存儲。

（圖片來源於：皇家墨爾本理工大學）

關鍵技術

提起這項創新的關鍵技術，石墨烯電極無疑是最值得注意的，那麼今天要介紹的石墨烯電極有什麼特殊之處呢?

根據墨爾本皇家理工大學教授 Min Gu 的說法，這種創新設計從大自然中汲取靈感，通過複雜自身相似性的「分形學」概念，以最有效的方式填充空間。

「分形學」，也就是一個整體的幾何形狀，可以分成數個部分，但是每個小部分都和整體縮小後的形狀類似或相同，即具有「自相似」的性質。直觀的，我們可以參考下面幾幅美麗的圖案，來形象的了解分形學（容許我在這裡讚美一下大自然的美妙，雖然後面第三張應該是人工幾何圖案）：

羅馬花椰菜

（圖片來源於：維基百科）

結霜的晶體

朱利亞集合的幾何圖形

自然界中具有分形學特徵的植物為這項創新設計注入了靈感。按照人工智慧納米光子學實驗室負責人，墨爾本皇家理工大學責任副校長 Gu 教授的說法：

「西部劍蕨的葉子上布滿了葉脈，這對於存儲能量和運輸植物周圍的水分來說非常高效。我們的電極就是基於這些分形形狀的，它們是自我複製的，就像雪花裡面的微結構一樣，我們已經利用這項大自然的高效設計，在納米層面提升太陽能存儲效率。」

所以，從Gu 教授的話中不難看出，這種具有分形學特徵西部劍蕨，對於設計這種石墨烯電極的提供了多少靈感！

另外，但是它到底為超級電容帶來了哪些改善呢？我們再繼續看看教授的說法：

最近的一項應用就是將這種電極和超級電容結合，因為我們的實驗展示了我們的原型能從根本上增加超級電容的存儲容量，比目前的容量高30倍。容量提升後的超級電容，具有長期可靠性和快速爆炸式的能量釋放（比如某個人想要在陰天使用太陽能），所以它是太陽能存儲的一個理想選擇。

西部劍蕨的葉子放大400倍後，可以看出它的葉脈具有自我複製的分形結構。

（圖片來源於：維基百科）

具有這種分形結構的「激光誘導石墨烯電極」，存儲能量時間更長，能量泄漏極少。這種分形設計正好體現出北美西部的土生的植物西部劍蕨，也稱為「刺羽耳蕨」「Polystichum munitum」葉脈的自複製形狀。

創新意義

對於這項創新的意義，我們還是先聽聽論文的領導作者，博士研究員 Litty Thekkekara 的說法。他認為因為電極原型基於柔性薄膜技術，所以它的潛力無限。他說：

「最令人興奮的可能性就是，使用它作為太陽電池的電極，提供整套的晶元上的能量吸收和存儲方案。我們可以使用現有的太陽能電池來實現，但是它們笨重而且僵硬。真正的未來在於，通過柔性薄膜太陽能電池技術集成這個原型，然而這個技術還在起步階段。」

「「柔性薄膜太陽能電池」能夠應用於各種你可以現象到的任何地方，從建築窗戶到汽車面板，智能手機到智能手錶。我們的手機或者混合動力汽車的充電站的供電將不再需要電池。」

「這種柔性電極原型，顯示了我們能夠應對能量存儲部分的挑戰，也顯示了它們能和太陽電池一起工作，而不影響其性能。現在，我們需要專註於柔性太陽能設備，這樣我們可以向著完全依賴太陽能、自供電的電子設備方向邁進。」

總結一下，這項技術的意義在於，提升超級電容的容量，製造柔性太陽能薄膜，最重要是促進移動設備、電動汽車、智能穿戴等領域，朝著「自供電」的方向邁進，徹底擺脫電池所帶來的煩惱，例如續航時間短、安全性憂慮、對環境的不利影響等等。

對於智能設備的「自供電」，或者電池以外的能量供給方式，我之前的多篇文章有介紹過多種創新方案，有興趣的朋友也可以在相關專題中參考閱讀下。

參考資料

【1】http://www.rmit.edu.au/news/all-news/2017/apr/bio-inspired-energy-storage--a-new-light-for-solar-power

【2】Litty V. Thekkekara et al, Bioinspired fractal electrodes for solar energy storages, Scientific Reports (2017). DOI: 10.1038/srep45585

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