新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)、中國(guó)清華大學(xué)和美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種像纖維一樣的柔性微型超級(jí)電容器,可織成衣服作為穿戴式醫(yī)療監(jiān)控、通訊設(shè)備或其他小型
電子產(chǎn)品的電源,在研發(fā)新型儲(chǔ)能裝置方面邁出了一大步。該研究成果已在《自然納米技術(shù)》上發(fā)布。
這種新型設(shè)備是一種超級(jí)電容器,猶如電池家族中的“堂弟”。它囊括的石墨烯和碳納米管的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)十分緊致,其存儲(chǔ)的能量相比一些薄膜鋰電池更具優(yōu)勢(shì)。該裝置具有保持充電
和釋放能量比電池快得多的優(yōu)點(diǎn)。這種纖維結(jié)構(gòu)的雜化材料提供了巨大可接觸的表面區(qū)域,并高度導(dǎo)電。
研究人員相信,這一體積的存儲(chǔ)容量(稱為體積能量密度)是迄今基于碳的微型超級(jí)電容器的最高值:每立方毫米6.3微瓦特小時(shí)。
該纖維還可以十字交叉的方式織成服裝,作為在智能品方面的可穿戴設(shè)備。例如,這樣的衣服可以為在家攜帶生物醫(yī)學(xué)監(jiān)控儀器的病人供電,可提供信息給在醫(yī)院的醫(yī)生??椚胫品?br />
像電池般的超級(jí)電容器可為顯示器或通信的晶體管提供電源。
研究人員說,這種纖維可能是一個(gè)節(jié)省空間的電源,作為醫(yī)療植入物的“能量運(yùn)送導(dǎo)線”,能為在家的病人供電給醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備,或者在野外為士兵使用通信設(shè)備提供電源。
此外,研究人員還饒有興趣地測(cè)試了這些纖維的多功能應(yīng)用,包括電池、太陽(yáng)能電池、生物燃料電池及可靈活、穿戴式光電系統(tǒng)的傳感器。研究人員說:“我們已經(jīng)開辟了許多可能
性,未來仍然有很多事情要做。”
具體做法是設(shè)計(jì)混合纖維以提高體積能量密度,含有氧化過的酸性單層碳納米管、氧化石墨烯和亞乙基二胺,以促進(jìn)合成和用氮給石墨烯涂層,通過柔性狹窄增強(qiáng)管即毛細(xì)管柱泵
送,在烘箱中加熱6個(gè)小時(shí)。
石墨烯片中,只有幾個(gè)原子厚、并且排列成一條線的碳納米管自組裝成運(yùn)行纖維長(zhǎng)度的多孔互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如此安排提供了大量可接觸的表面積,每克混雜纖維達(dá)396平方米,用于電
荷的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。而這些材料被緊緊地包含在毛細(xì)管柱里,以便可將其抽取出來,形成高體積能量密度。這種使用多個(gè)毛細(xì)管柱的過程,可使制造出的纖維連續(xù)不斷,并保持一貫的
品質(zhì)。
據(jù)悉,研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種連續(xù)生產(chǎn)這種彈性纖維的方式,使其能夠擴(kuò)大生產(chǎn)以滿足各種應(yīng)用。到目前為止,已經(jīng)制作出50米長(zhǎng)的纖維,具有靈活性,每立方厘米具有300法
拉的高容量。
在測(cè)試中,研究人員發(fā)現(xiàn)三對(duì)串聯(lián)排列的纖維具有三倍的電壓,同時(shí)可保持相同的充電/放電時(shí)間。與相同電流密度操作的單纖維相比,三對(duì)平行的纖維是在輸出電流和充電/放
電時(shí)間方面具有三倍的效力。當(dāng)把它們?cè)趦蓚€(gè)電極之間集成多個(gè)成對(duì)的纖維,其存儲(chǔ)電能的能力即電容,可根據(jù)所使用纖維的數(shù)量呈線性增加。
使用聚乙烯醇/磷酸凝膠作為電解質(zhì),固態(tài)微型超級(jí)電容器由一對(duì)光纖制造可提供每立方毫米6.3微瓦小時(shí)的體積密度,可與4伏特500微安小時(shí)的薄膜鋰電池媲美。纖維超級(jí)電容
器表現(xiàn)出超高能量密度值,同時(shí)保持了高功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性。
研究人員說:“我們測(cè)試了這種光纖設(shè)備上萬次的充電/放電周期,其保留了原有的性能約93%,而傳統(tǒng)的充電電池壽命小于千次周期。”
該小組還測(cè)試了這個(gè)設(shè)備的柔性能量存儲(chǔ),對(duì)其不斷進(jìn)行恒定的機(jī)械應(yīng)力,最后對(duì)其性能的評(píng)價(jià)是:纖維超級(jí)電容器可持續(xù)無性能損失地工作,甚至在彎曲數(shù)百次之后,它們?nèi)?br />
能保持靈活性,并在結(jié)構(gòu)上長(zhǎng)度保持一致。
目前,研究人員正在降低成本以大批量生產(chǎn)這種纖維,促使這種高性能的微型超級(jí)電容器商業(yè)化。
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