新型超級(jí)電容器可拉至原來(lái)的八倍大，適用于可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域

杜克大學(xué)和密歇根州立大學(xué)的研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種新型超級(jí)電容器，即使被拉伸到原來(lái)大小的8倍時(shí)，它仍然能夠完全發(fā)揮功能。而且它不會(huì)因反復(fù)拉伸而出現(xiàn)任何磨損，在10000次充放電循環(huán)后僅損失幾個(gè)百分點(diǎn)的容量。研究人員認(rèn)為，這種超級(jí)電容器將成為一種獨(dú)立于電源且可伸縮的電子系統(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)備等領(lǐng)域。

該研究結(jié)果發(fā)表在3月19日的《Matter》雜志上。研究團(tuán)隊(duì)包括密歇根州立大學(xué)機(jī)械工程、電氣和計(jì)算機(jī)工程助理教授曹長(zhǎng)勇和杜克大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授杰夫·格拉斯。他們的合著者是杜克大學(xué)的博士生查爾斯·帕克以及麻省理工學(xué)院的博士生曹云騰。

密歇根州立大學(xué)軟機(jī)器與電子實(shí)驗(yàn)室主任曹長(zhǎng)勇說(shuō)道：“我們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)能夠在拉伸、扭轉(zhuǎn)或彎曲等機(jī)械變形中不失去性能的創(chuàng)新設(shè)備。如果可伸縮電子設(shè)備的電源不能伸縮，那么整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)也將被限制為不能伸縮。”。

超級(jí)電容器能夠像電池一樣儲(chǔ)存能量，但有所不同。電池以化學(xué)方式儲(chǔ)存能量并通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電荷，而超級(jí)電容器則不同，它通過(guò)電荷分離儲(chǔ)存能量，無(wú)法自己產(chǎn)生電能，必須通過(guò)外部來(lái)源充電。與電池不同的是，超級(jí)電容器能夠在短時(shí)間內(nèi)釋放出大量能量，其充放電速度比電池快得多，而且比蓄電池能承受更多的充放電循環(huán)。

超級(jí)電容器以其出色的功率密度而聞名，與化學(xué)電池相比，其能快速充電和放電大量能量，并且具有比化學(xué)電池更長(zhǎng)的壽命，而化學(xué)電池通常具有存儲(chǔ)更多能量的優(yōu)勢(shì)。

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，因此曹長(zhǎng)勇花了數(shù)年的時(shí)間研究這個(gè)可伸縮的版本。

在他們的新論文中，研究人員展示了其工作成果，他們制造了一個(gè)郵票大小的超級(jí)電容器，可以提供兩伏特的電壓。將四個(gè)超級(jí)電容器連接在一起時(shí)，它們可以為一個(gè)2伏的卡西歐手表供電一個(gè)半小時(shí)。

為了制造這種可伸縮的超級(jí)電容器，格拉斯和他的研究團(tuán)隊(duì)首先在硅晶片上生長(zhǎng)出一個(gè)碳納米管森林（數(shù)百萬(wàn)納米管），這些納米管的直徑只有15納米，高20到30微米。然后，研究人員在碳納米管森林的頂部涂上一層薄薄的金納米薄膜。這個(gè)金層就像一個(gè)電子收集器，使得這個(gè)裝置的電阻比以前的版本降低了一百萬(wàn)數(shù)量級(jí)，使得這個(gè)裝置能夠更快地充電和放電。

然后，格拉斯將剩下的工程交給曹長(zhǎng)勇，曹長(zhǎng)勇將碳納米管森林轉(zhuǎn)移到預(yù)拉伸彈性體基底上，金面朝下。然后使預(yù)應(yīng)變釋放，使其收縮到原來(lái)尺寸的四分之一。這一過(guò)程將這層薄薄的黃金揉成一團(tuán)，將碳納米管森林中的“樹(shù)木”匯聚在一起。格拉斯解釋說(shuō)道：“褶皺極大地增加了在小空間內(nèi)可用的表面積，從而增加了它所能承載的電荷量。如果我們有足夠大的空間，一個(gè)平坦的表面就可以了。但是，如果我們想要一個(gè)可以真正用在設(shè)備上的超級(jí)電容器，我們就需要盡可能地把它做得更小。”。

曹長(zhǎng)勇說(shuō)道：“為了建立一個(gè)完整的可伸縮的電子系統(tǒng)，我們還有一些工作要做。這篇論文中展示的超級(jí)電容器還沒(méi)有達(dá)到我們預(yù)期的效果。但是有了這個(gè)基礎(chǔ)，我們將能夠把它集成到一個(gè)由可伸縮電線、傳感器和探測(cè)器組成的系統(tǒng)中，從而創(chuàng)造出完全可伸縮的設(shè)備?！薄?/p>

研究人員解釋說(shuō)，可拉伸的超級(jí)電容器自己可以為一些未來(lái)的設(shè)備供電，或者可以與其他元件相結(jié)合來(lái)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(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(chǔ)存的速度快。超級(jí)電容器提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率。或者，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(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(jí)電容器和電池連接在一起?！盙lass說(shuō)?！俺?jí)電容器充電速度快，可以承受數(shù)千次甚至數(shù)百萬(wàn)次的充電，而電池可以?xún)?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?！?/p>

可實(shí)時(shí)修復(fù)的伸縮型超級(jí)電容器

合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授從懷萍課題組與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書(shū)宏研究團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)一體化器件構(gòu)型設(shè)計(jì)，成功研發(fā)了新型超級(jí)可伸縮電容器，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程中的實(shí)時(shí)自修復(fù)，為研發(fā)智能柔性能源存儲(chǔ)器件提供了新途徑。

目前的可伸縮超級(jí)電容器機(jī)械形變能力有限，且電極層與電解質(zhì)層間易產(chǎn)生錯(cuò)位。針對(duì)這一難題，科研人員創(chuàng)新性地在單體引發(fā)聚合過(guò)程中引入動(dòng)態(tài)金屬配位鍵，成功研發(fā)了具有優(yōu)異伸縮性能和光學(xué)、電學(xué)多重刺激響應(yīng)修復(fù)性能的納米復(fù)合水凝膠電極和電解質(zhì)。通過(guò)進(jìn)一步在凝膠電極上化學(xué)焊接銀納米線薄膜作為集流體，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了利用各層間豐富的金屬—硫配位作用，化學(xué)鍵合構(gòu)筑具有整體構(gòu)型的超級(jí)電容器。

基于電容器各組分層的微結(jié)構(gòu)和界面作用力優(yōu)化以及整體化器件構(gòu)型設(shè)計(jì)，這一新型超級(jí)電容器具有卓越的柔性和可修復(fù)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型電容器的面電容值高達(dá)885 mF/cm2，拉伸應(yīng)變可達(dá)原長(zhǎng)的8倍。同時(shí)，基于電極和電解質(zhì)優(yōu)異的本征彈性和自修復(fù)性能以及一體化器件構(gòu)型設(shè)計(jì)，該電容器具備快速的光自修復(fù)能力和高效的電學(xué)實(shí)時(shí)自修復(fù)能力。

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