中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
杜克大學(xué)和密歇根州立大學(xué)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(lái)大小的8倍，它仍能充分發(fā)揮功能。它不會(huì )因反復拉伸而產(chǎn)生任何磨損，在1萬(wàn)次充放電后，其能量性能僅損耗幾個(gè)百分點(diǎn)。
研究人員設想的超級電容器是一個(gè)電力獨立、可伸縮、靈活的電子系統的一部分，應用于可穿戴電子設備或生物醫學(xué)設備。
研究結果發(fā)表在3月19日的《Matter》雜志網(wǎng)絡(luò )版上。研究團隊包括密歇根州立大學(xué)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(xué)電子和計算機工程教授、高級作者Jeff Glass。他們的合著(zhù)者是來(lái)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(lái)自麻省理工學(xué)院的博士生Yunteng Cao。
“我們的目標是開(kāi)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(shuō)，他是密歇根州立大學(xué)軟機械和電子實(shí)驗室的主任?！暗绻衫祀娮釉O備的電源不可拉伸，那么整個(gè)設備系統將被限制為不可拉伸?！?/p>
超級電容器能像電池一樣儲存能量，但有一些重要的區別。與通過(guò)化學(xué)反應儲存能量并產(chǎn)生電荷的電池不同，靜電雙層超級電容器(EDLSC)是通過(guò)電荷分離來(lái)儲存能量，并且不能自己發(fā)電。它必須從外部來(lái)源充電。在充電過(guò)程中，電子在設備的一個(gè)部分被建立起來(lái)，然后從另一個(gè)部分被移除，因此當兩邊連接起來(lái)時(shí)，電就會(huì )在它們之間快速流動(dòng)。
與電池不同的是，超級電容器能夠在短時(shí)間內釋放大量能量，而不是通過(guò)緩慢的細水長(cháng)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(cháng)。這使得它們非常適合于短時(shí)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(shí)間來(lái)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(diǎn)上的成果，制造了一個(gè)郵票大小的超級電容器，可以攜帶超過(guò)2伏電壓。當4個(gè)超級電容連接在一起時(shí)，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(gè)半小時(shí)。
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——由數百萬(wàn)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(dòng)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(gè)數量級，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(mǎn)凝膠的電極放松，使預應變釋放，讓其縮小到原來(lái)大小的四分之一。這一過(guò)程將薄薄的一層金壓碎，并將碳納米管森林中的“樹(shù)”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(gè)超級電容器，用于真正的設備，那就需要使它盡可能小?！?/p>
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。當最后兩個(gè)電極夾在一起時(shí)，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(gè)充電的超級可拉伸超級電容器。
“我們還需要做一些工作來(lái)建立一個(gè)完整的可伸縮的電子系統?！?Changyong Cao說(shuō)，“在這篇論文中展示的超級電容器還沒(méi)有達到我們想要的程度。但有了這個(gè)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(gè)由可拉伸導線(xiàn)、傳感器和探測器組成的系統中，從而創(chuàng )造出完全可拉伸的設備?！?/p>
研究人員解釋說(shuō)，可拉伸的超級電容器自己可以為一些未來(lái)的設備供電，或者可以與其他元件相結合來(lái)克服工程上的挑戰。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(lái)源的電池充電。這種方法已被用于混合動(dòng)力汽車(chē)的再生制動(dòng)，在混合動(dòng)力汽車(chē)中，能量產(chǎn)生的速度比儲存的速度快。超級電容器提高了整個(gè)系統的效率?；蛘?，正如日本已經(jīng)證明的那樣，超級電容器可以為城市通勤的公交車(chē)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。
“很多人想把超級電容器和電池連接在一起?！盙lass說(shuō)?！俺夒娙萜鞒潆娝俣瓤?，可以承受數千次甚至數百萬(wàn)次的充電，而電池可以?xún)Υ娓嗟碾娏?，因此可以使用很長(cháng)時(shí)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(gè)電氣系統中有兩種不同的功能?！?/p>
