新石墨烯电极：灵感来源于分形植物，为产业发展萌发新希望！
导读
春天，一片欣欣向荣的景象。而大自然经常为科学家带来灵感，最近澳大利亚皇家墨尔本理工大学的科研人员，受到美洲蕨类植物的启发，开发了一种具有开创性意义的新型「石墨烯」基的电极原型，有望推动太阳能技术成为一种整体化的能源解决方案，不仅为太阳能科技发展带来了新曙光，还为智能手机、智能穿戴、新能源汽车、智能建筑等产业发展萌发了新希望。
现状分析
这个故事的最好切入点还是「超级电容」。对于超级电容的概念，很多人会有些陌生，大家比较熟悉可能是锂电池。那么，超级电容是什么？
（图片来源于：维基百科）
不想繁琐，繁琐的留着以后探讨，先简单介绍下原理：
超级电容器，可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个电容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。
它具有功率密度高、循环寿命长、安全可靠等特点，可广泛应用于电动汽车、大功率输出设备等多个领域。
但是，它具有一个致命的弱点即「能量密度低」。有数据显示，锂电池的能量密度一般在100wh/kg ~ 200wh/kg 之间，但超级电容普遍只有10wh/kg左右。也就是说，超级电容的续航能力只有相同重量锂电池的十分之一左右，正是由于这个缘故，限制了超级电容进一步推广和大规模商用。
创新探索
超级电容器的核心元件是电极，而目前电极所采用的主要是碳材料，例如活性炭、活性炭纤维、碳气溶胶、碳纳米管。
然而，澳大利亚皇家墨尔本理工大学的创新技术正是针对电极进行了创新，使用了目前最热门的二维材料「石墨烯」，有望将超级电容的「容量提升30倍」，另外这种电极还有一项优点，就是能开发出「柔性」的薄膜，从而更容易适用于工业应用场景，例如智能穿戴、新能源汽车、智能手机、智能建筑等等，并将它们朝着「自我供电」的方向推进。
电极原型（右）可以结合太阳能电池（左），用于芯片上的能量吸收和存储。
（图片来源于：皇家墨尔本理工大学）
关键技术
提起这项创新的关键技术，石墨烯电极无疑是最值得注意的，那么今天要介绍的石墨烯电极有什么特殊之处呢?
根据墨尔本皇家理工大学教授 Min Gu 的说法，这种创新设计从大自然中汲取灵感，通过复杂自身相似性的「分形学」概念，以最有效的方式填充空间。
「分形学」，也就是一个整体的几何形状，可以分成数个部分，但是每个小部分都和整体缩小后的形状类似或相同，即具有「自相似」的性质。直观的，我们可以参考下面几幅美丽的图案，来形象的了解分形学（容许我在这里赞美一下大自然的美妙，虽然后面第三张应该是人工几何图案）：
罗马花椰菜
（图片来源于：维基百科）
结霜的晶体
（图片来源于：维基百科）
朱利亚集合的几何图形
（图片来源于：维基百科）
自然界中具有分形学特征的植物为这项创新设计注入了灵感。按照人工智能纳米光子学实验室负责人，墨尔本皇家理工大学责任副校长 Gu 教授的说法：
“西部剑蕨的叶子上布满了叶脉，这对于存储能量和运输植物周围的水分来说非常高效。我们的电极就是基于这些分形形状的，它们是自我复制的，就像雪花里面的微结构一样，我们已经利用这项大自然的高效设计，在纳米层面提升太阳能存储效率。”
所以，从Gu 教授的话中不难看出，这种具有分形学特征西部剑蕨，对于设计这种石墨烯电极的提供了多少灵感！
另外，但是它到底为超级电容带来了哪些改善呢？我们再继续看看教授的说法：
最近的一项应用就是将这种电极和超级电容结合，因为我们的实验展示了我们的原型能从根本上增加超级电容的存储容量，比目前的容量高30倍。容量提升后的超级电容，具有长期可靠性和快速爆炸式的能量释放（比如某个人想要在阴天使用太阳能），所以它是太阳能存储的一个理想选择。
西部剑蕨的叶子放大400倍后，可以看出它的叶脉具有自我复制的分形结构。
（图片来源于：维基百科）
具有这种分形结构的「激光诱导石墨烯电极」，存储能量时间更长，能量泄漏极少。这种分形设计正好体现出北美西部的土生的植物西部剑蕨，也称为「刺羽耳蕨」“Polystichum munitum”叶脉的自复制形状。
（图片来源于：http://www.nwplants.com/）
创新意义
对于这项创新的意义，我们还是先听听论文的领导作者，博士研究员 Litty Thekkekara 的说法。他认为因为电极原型基于柔性薄膜技术，所以它的潜力无限。他说：
“最令人兴奋的可能性就是，使用它作为太阳电池的电极，提供整套的芯片上的能量吸收和存储方案。我们可以使用现有的太阳能电池来实现，但是它们笨重而且僵硬。真正的未来在于，通过柔性薄膜太阳能电池技术集成这个原型，然而这个技术还在起步阶段。”
“「柔性薄膜太阳能电池」能够应用于各种你可以现象到的任何地方，从建筑窗户到汽车面板，智能手机到智能手表。我们的手机或者混合动力汽车的充电站的供电将不再需要电池。”
“这种柔性电极原型，显示了我们能够应对能量存储部分的挑战，也显示了它们能和太阳电池一起工作，而不影响其性能。现在，我们需要专注于柔性太阳能设备，这样我们可以向着完全依赖太阳能、自供电的电子设备方向迈进。”
总结一下，这项技术的意义在于，提升超级电容的容量，制造柔性太阳能薄膜，最重要是促进移动设备、电动汽车、智能穿戴等领域，朝着「自供电」的方向迈进，彻底摆脱电池所带来的烦恼，例如续航时间短、安全性忧虑、对环境的不利影响等等。
对于智能设备的“自供电”，或者电池以外的能量供给方式，我之前的多篇文章有介绍过多种创新方案，有兴趣的朋友也可以在相关专题中参考阅读下。
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参考资料
【1】http://www.rmit.edu.au/news/all-news/2017/apr/bio-inspired-energy-storage--a-new-light-for-solar-power
【2】
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