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柔性微型超级电容器,电池制作成衣服

字号+ 作者:admin 来源:未知 2014-08-04 00:19 我要评论( )

电池可以当衣服穿吗?乍一听,似乎闻所未闻,不过在不久的将来,随身携带电池可能就是把柔性电池织成的衣服穿在身上了。 中国清华大学、新加坡南洋理工大学(NTU)和美国凯斯西储大学的联合团队开发出一种像纤维一样的柔性微型超级电容器,可织成衣服作为穿

电池可以当衣服穿吗?乍一听,似乎闻所未闻,不过在不久的将来,随身携带电池可能就是把柔性电池织成的衣服穿在身上了。

中国清华大学、新加坡南洋理工大学(NTU)和美国凯斯西储大学的联合团队开发出一种像纤维一样的柔性微型超级电容器,可织成衣服作为穿戴式医疗监控、通讯设备或其他小型电子产品的电源,在研发新型储能装置方面迈出了一大步。该研究成果已在《自然纳米技术》上发布。

 

电池家族添新锐“堂弟”

这种新型设备是一种超级电容器,犹如电池家族中的“堂弟”。它囊括的石墨烯和碳纳米管的互联网络十分紧致,其存储的能量相比一些薄膜锂电池更具优势。该装置具有保持充电和释放能量比电池快得多的优点。这种纤维结构的杂化材料提供了巨大可接触的表面区域,并高度导电。

研究人员相信,这一体积的存储容量(称为体积能量密度)是迄今基于碳的微型超级电容器的最高值:每立方毫米6.3微瓦特小时。

该纤维还可以十字交叉的方式织成服装,作为在智能纺织品方面的可穿戴设备。例如,这样的衣服可以为在家携带生物医学监控仪器的病人供电,可提供信息给在医院的医生。织入制服像电池般的超级电容器可为显示器或通信的晶体管提供电源。

研究人员说,这种纤维可能是一个节省空间的电源,作为医疗植入物的“能量运送导线”,可为在家的病人或老人供电给医疗检测设备,或者在野外为士兵使用通信设备提供电源。

此外,研究人员还饶有兴趣地测试了这些纤维的多功能应用,包括电池、太阳能电池、生物燃料电池及可灵活、穿戴式光电系统的传感器。研究人员说:“我们已经开辟了许多可能性,未来仍然有很多事情要做。”

 

鱼与熊掌如何得兼

制作这种高性能微型超级电容器的技术瓶颈是,大多数超级电容器具有高功率密度但低能量密度,意味着它们可以快速充电和大大提升电力,但不会持续很长时间。相反,电池具有高能量密度和低功率密度,意味着其可以持续很长时间,但不会快速输送大量的能量。而电动车的微电子受益于能够提供高功率和高能量密度的储能装置。这就是为什么研究人员正在开发一种可以兼顾两方面优点的装置。

要继续小型化电子产品,行内需要具有大体积能量密度的微小能量存储设备。而与电池相比,大量的超级电容器可能有类似的能量储存,或能量密度。但是,因为它们需要大量的可接触的表面积储存能量,其体积能量密度总是滞后不堪。

鱼与熊掌如何得兼?具体做法是设计混合纤维以提高体积能量密度,含有氧化过的酸性单层碳纳米管、氧化石墨烯和亚乙基二胺,以促进合成和用氮给石墨烯涂层,通过柔性狭窄增强管即毛细管柱泵送,在烘箱中加热6个小时。

石墨烯片中,只有几个原子厚、并且排列成一条线的碳纳米管自组装成运行纤维长度的多孔互联网络。如此安排提供了大量可接触的表面积,每克混杂纤维达396平方米,用于电荷的运输和储存。而这些材料被紧紧地包含在毛细管柱里,以便可将其抽取出来,形成高体积能量密度。这种使用多个毛细管柱的过程,可使制造出的纤维连续不断,并保持一贯的品质。

 

经得起考验的质地

每日科学网日前报道称,研究人员已经开发出一种连续生产这种弹性纤维的方式,使其能够扩大生产以满足各种应用。到目前为止,已经制作出50米长的纤维,具有灵活性,每立方厘米具有300法拉的高容量。

在测试中,研究人员发现三对串联排列的纤维具有三倍的电压,同时可保持相同的充电/放电时间。与相同电流密度操作的单纤维相比,三对平行的纤维是在输出电流和充电/放电时间方面具有三倍的效力。当把它们在两个电极之间集成多个成对的纤维,其存储电能的能力即电容,可根据所使用纤维的数量呈线性增加。

使用聚乙烯醇/磷酸凝胶作为电解质,固态微型超级电容器由一对光纤制造可提供每立方毫米6.3微瓦小时的体积密度,可与4伏特500微安小时的薄膜锂电池媲美。纤维超级电容器表现出超高能量密度值,同时保持了高功率密度和循环稳定性。

研究人员说:“我们测试了这种光纤设备上万次的充电/放电周期,其保留了原有的性能约93%,而传统的充电电池寿命小于千次周期。”

该小组还测试了这个设备的柔性能量存储,对其不断进行恒定的机械应力,最后对其性能的评价是:纤维超级电容器可持续无性能损失地工作,甚至在弯曲数百次之后,它们仍能保持灵活性,并在结构上长度保持一致。

目前,研究人员正在降低成本以大批量生产这种纤维,旨在促使这种高性能的微型超级电容器商业化。

 

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