新型超級(jí)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 Date:2020-10-22 Count:1313
杜克大學(xué)和密歇根州立大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種新型超級(jí)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(huì)因反復(fù)拉伸而產(chǎn)生任何磨損，在1萬次充放電后，其能量性能僅損耗幾個(gè)百分點(diǎn)。 研究人員設(shè)想的超級(jí)電容器是一個(gè)電力獨(dú)立、可伸縮、靈活的電子系統(tǒng)的一部分，應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備或生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。 研究結(jié)果發(fā)表在3月19日的《Matter》雜志網(wǎng)絡(luò)版上。研究團(tuán)隊(duì)包括密歇根州立大學(xué)包裝、機(jī)械工程、電子和計(jì)算機(jī)工程助理教授Changyong Cao，以及杜克大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程教授、高級(jí)作者Jeff Glass。他們的合著者是來自杜克大學(xué)的博士生Yihao Zhou和Qiwei Han，研究科學(xué)家Charles Parker，以及來自麻省理工學(xué)院的博士生Yunteng Cao。 “我們的目標(biāo)是開發(fā)出一種創(chuàng)新的設(shè)備，能夠在拉伸、扭轉(zhuǎn)或彎曲等機(jī)械變形的情況下不喪失性能�！� Changyong Cao說，他是密歇根州立大學(xué)軟機(jī)械和電子實(shí)驗(yàn)室的主任。“但如果可拉伸電子設(shè)備的電源不可拉伸，那么整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)將被限制為不可拉伸�！� 超級(jí)電容器能像電池一樣儲(chǔ)存能量，但有一些重要的區(qū)別。與通過化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)存能量并產(chǎn)生電荷的電池不同，靜電雙層超級(jí)電容器(EDLSC)是通過電荷分離來儲(chǔ)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(shè)備的一個(gè)部分被建立起來，然后從另一個(gè)部分被移除，因此當(dāng)兩邊連接起來時(shí)，電就會(huì)在它們之間快速流動(dòng)。 與電池不同的是，超級(jí)電容器能夠在短時(shí)間內(nèi)釋放大量能量，而不是通過緩慢的細(xì)水長(zhǎng)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(zhǎng)。這使得它們非常適合于短時(shí)間、高功率的應(yīng)用，例如在照相機(jī)中設(shè)置閃光燈或在立體聲音響中設(shè)置放大器。 但是大多數(shù)超級(jí)電容器和電路板上的其他元件一樣堅(jiān)硬易碎。這就是為什么Changyong Cao和Jeff Glass花了幾年時(shí)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?cè)谶@一點(diǎn)上的成果，制造了一個(gè)郵票大小的超級(jí)電容器，可以攜帶超過2伏電壓。當(dāng)4個(gè)超級(jí)電容連接在一起時(shí)，就像許多設(shè)備需要AA或AAA電池一樣，超級(jí)電容可以為2伏卡西歐手表供電一個(gè)半小時(shí)。 為了制造可伸縮的超級(jí)電容器，Glass和他的研究團(tuán)隊(duì)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(xì)菌的寬度和它感染的動(dòng)物細(xì)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(shè)備的電阻降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，使設(shè)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(zhuǎn)移到金層朝下的預(yù)拉伸彈性體基板上；再將充滿凝膠的電極放松，使預(yù)應(yīng)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(nèi)可用的表面積，從而增加了它所能容納的電荷量。”Glass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(gè)超級(jí)電容器，用于真正的設(shè)備，那就需要使它盡可能小�！� 然后用凝膠電解質(zhì)填充這塊密密麻麻的“森林”，在納米管表面捕獲電子。當(dāng)最后兩個(gè)電極夾在一起時(shí)，施加的電壓使一側(cè)的電子負(fù)載，而另一側(cè)的電子被抽干，就形成了一個(gè)充電的超級(jí)可拉伸超級(jí)電容器。 “我們還需要做一些工作來建立一個(gè)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(jí)電容器還沒有達(dá)到我們想要的程度。但有了這個(gè)強(qiáng)大的可拉伸超級(jí)電容器的基礎(chǔ)，我們將能夠把它集成到一個(gè)由可拉伸導(dǎo)線、傳感器和探測(cè)器組成的系統(tǒng)中，從而創(chuàng)造出完全可拉伸的設(shè)備�！� 研究人員解釋說，可拉伸的超級(jí)電容器自己可以為一些未來的設(shè)備供電，或者可以與其他元件相結(jié)合來克服工程上的挑戰(zhàn)。例如，超級(jí)電容器可以在幾秒鐘內(nèi)充電，然后緩慢地給作為設(shè)備主要能量來源的電池充電。這種方法已被用于混合動(dòng)力汽車的再生制動(dòng)，在混合動(dòng)力汽車中，能量產(chǎn)生的速度比儲(chǔ)存的速度快。超級(jí)電容器提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率�；蛘�，正如日本已經(jīng)證明的那樣，超級(jí)電容器可以為城市通勤的公交車提供動(dòng)力，在每一站完成一次完全充電所需的時(shí)間很短。 “很多人想把超級(jí)電容器和電池連接在一起�！盙lass說�！俺�(jí)電容器充電速度快，可以承受數(shù)千次甚至數(shù)百萬次的充電，而電池可以儲(chǔ)存更多的電量，因此可以使用很長(zhǎng)時(shí)間。把它們放在一起不失為兩全其美的辦法，畢竟它們?cè)谕粋�(gè)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 |
