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新型超級電容器來了！可拉伸到原來大小的8倍 1萬次充放電能量損耗極低 發(fā)布日期：2020-10-22 閱讀人次：1306次 責任編輯：小編
杜克大學和密歇根州立大學的研究人員設計了一種新型超級電容器，即使將其拉伸到原來大小的8倍，它仍能充分發(fā)揮功能。它不會因反復拉伸而產生任何磨損，在1萬次充放電后，其能量性能僅損耗幾個百分點。 研究人員設想的超級電容器是一個電力獨立、可伸縮、靈活的電子系統(tǒng)的一部分，應用于可穿戴電子設備或生物醫(yī)學設備。 研究結果發(fā)表在3月19日的《Matter》雜志網(wǎng)絡版上。研究團隊包括密歇根州立大學包裝、機械工程、電子和計算機工程助理教授Changyong Cao，以及杜克大學電子和計算機工程教授、高級作者Jeff Glass。他們的合著者是來自杜克大學的博士生Yihao Zhou和Qiwei Han，研究科學家Charles Parker，以及來自麻省理工學院的博士生Yunteng Cao。 “我們的目標是開發(fā)出一種創(chuàng)新的設備，能夠在拉伸、扭轉或彎曲等機械變形的情況下不喪失性能。” Changyong Cao說，他是密歇根州立大學軟機械和電子實驗室的主任。“但如果可拉伸電子設備的電源不可拉伸，那么整個設備系統(tǒng)將被限制為不可拉伸�！� 超級電容器能像電池一樣儲存能量，但有一些重要的區(qū)別。與通過化學反應儲存能量并產生電荷的電池不同，靜電雙層超級電容器(EDLSC)是通過電荷分離來儲存能量，并且不能自己發(fā)電。它必須從外部來源充電。在充電過程中，電子在設備的一個部分被建立起來，然后從另一個部分被移除，因此當兩邊連接起來時，電就會在它們之間快速流動。 與電池不同的是，超級電容器能夠在短時間內釋放大量能量，而不是通過緩慢的細水長流。它們的充放電速度也比電池快得多，而且比可充電電池的充放電周期更長。這使得它們非常適合于短時間、高功率的應用，例如在照相機中設置閃光燈或在立體聲音響中設置放大器。 但是大多數(shù)超級電容器和電路板上的其他元件一樣堅硬易碎。這就是為什么Changyong Cao和Jeff Glass花了幾年時間來研究可拉伸的版本。 在他們的新論文中，研究人員展示了他們在這一點上的成果，制造了一個郵票大小的超級電容器，可以攜帶超過2伏電壓。當4個超級電容連接在一起時，就像許多設備需要AA或AAA電池一樣，超級電容可以為2伏卡西歐手表供電一個半小時。 為了制造可伸縮的超級電容器，Glass和他的研究團隊首先在硅片上種植了一片碳納米管林——由數(shù)百萬納米管組成，直徑只有15納米，高20-30微米。這大約是最小的細菌的寬度和它感染的動物細胞的高度。 然后，研究人員在碳納米管森林的頂部覆蓋一層薄薄的金納米膜。金層就像一種電收集器，將設備的電阻降低一個數(shù)量級，使設備能夠更快地充放電。 然后，Glass將工程流程交給Changyong Cao, 后者將碳納米管森林轉移到金層朝下的預拉伸彈性體基板上；再將充滿凝膠的電極放松，使預應變釋放，讓其縮小到原來大小的四分之一。這一過程將薄薄的一層金壓碎，并將碳納米管森林中的“樹”壓在一起。 “這種彎曲大大增加了在一小塊空間內可用的表面積，從而增加了它所能容納的電荷量�！盙lass解釋道，“如果我們擁有全世界所有的空間，平坦的表面將可以正常工作。但如果我們想要一個超級電容器，用于真正的設備，那就需要使它盡可能小�！� 然后用凝膠電解質填充這塊密密麻麻的“森林”，在納米管表面捕獲電子。當最后兩個電極夾在一起時，施加的電壓使一側的電子負載，而另一側的電子被抽干，就形成了一個充電的超級可拉伸超級電容器。 “我們還需要做一些工作來建立一個完整的可伸縮的電子系統(tǒng)�！� Changyong Cao說，“在這篇論文中展示的超級電容器還沒有達到我們想要的程度。但有了這個強大的可拉伸超級電容器的基礎，我們將能夠把它集成到一個由可拉伸導線、傳感器和探測器組成的系統(tǒng)中，從而創(chuàng)造出完全可拉伸的設備�！� 研究人員解釋說，可拉伸的超級電容器自己可以為一些未來的設備供電，或者可以與其他元件相結合來克服工程上的挑戰(zhàn)。例如，超級電容器可以在幾秒鐘內充電，然后緩慢地給作為設備主要能量來源的電池充電。這種方法已被用于混合動力汽車的再生制動，在混合動力汽車中，能量產生的速度比儲存的速度快。超級電容器提高了整個系統(tǒng)的效率�；蛘撸缛毡疽呀涀C明的那樣，超級電容器可以為城市通勤的公交車提供動力，在每一站完成一次完全充電所需的時間很短。 “很多人想把超級電容器和電池連接在一起。”Glass說�！俺夒娙萜鞒潆娝俣瓤欤梢猿惺軘�(shù)千次甚至數(shù)百萬次的充電，而電池可以儲存更多的電量，因此可以使用很長時間。把它們放在一起不失為兩全其美的辦法，畢竟它們在同一個電氣系統(tǒng)中有兩種不同的功能�！� 原文來源：https://www.sciencedaily.com/releases/2020/03/200319142441.htm |