柔性微型超級電容器技術衣服可以當電源

　　電池可以當衣服穿嗎？乍一聽，似乎聞所未聞，不過在不久的將來，隨身攜帶電池可能就是把柔性電池織成的衣服穿在身上了。

　　 新加坡南洋理工大學（NTU）、中國清華大學和美國凱斯西儲大學的聯合團隊開發出一種像纖維一樣的柔性微型超級電容器，可織成衣服作為穿戴式醫療監控、通訊設備或其他小型電子產品的電源，在研發新型儲能裝置方面邁出了一大步。該研究成果已在《自然納米技術》上發布。

　　 電池家族添新銳“堂弟”

　　 這種新型設備是一種超級電容器，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網絡十分緊致，其存儲的能量相比一些薄膜鋰電池更具優勢。該裝置具有保持充電和釋放能量比電池快得多的優點。這種纖維結構的雜化材料提供了巨大可接觸的表面區域，并高度導電。

　　 研究人員相信，這一體積的存儲容量（稱為體積能量密度）是迄今基于碳的微型超級電容器的最高值：每立方毫米6.3微瓦特小時。

　　 該纖維還可以十字交叉的方式織成服裝，作為在智能紡織品方面的可穿戴設備。例如，這樣的衣服可以為在家攜帶生物醫學監控儀器的病人供電，可提供信息給在醫院的醫生。織入制服像電池般的超級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節省空間的電源，作為醫療植入物的“能量運送導線”，可為在家的病人或老人供電給醫療檢測設備，或者在野外為士兵使用通信設備提供電源。

　　 此外，研究人員還饒有興趣地測試了這些纖維的多功能應用，包括電池、太陽能電池、生物燃料電池及可靈活、穿戴式光電系統的傳感器。研究人員說：“我們已經開辟了許多可能性，未來仍然有很多事情要做。”

　　魚與熊掌如何得兼

　　 制作這種高性能微型超級電容器的技術瓶頸是，大多數超級電容器具有高功率密度但低能量密度，意味著它們可以快速充電和大大提升電力，但不會持續很長時間。相反，電池具有高能量密度和低功率密度，意味著其可以持續很長時間，但不會快速輸送大量的能量。而電動車的微電子受益于能夠提供高功率和高能量密度的儲能裝置。這就是為什么研究人員正在開發一種可以兼顧兩方面優點的裝置。

　　 要繼續小型化電子產品，行內需要具有大體積能量密度的微小能量存儲設備。而與電池相比，大量的超級電容器可能有類似的能量儲存，或能量密度。但是，因為它們需要大量的可接觸的表面積儲存能量，其體積能量密度總是滯后不堪。

　　 魚與熊掌如何得兼？具體做法是設計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，以促進合成和用氮給石墨烯涂層，通過柔性狹窄增強管即毛細管柱泵送，在烘箱中加熱6個小時。

　　 石墨烯片中，只有幾個原子厚、并且排列成一條線的碳納米管自組裝成運行纖維長度的多孔互聯網絡。如此安排提供了大量可接觸的表面積，每克混雜纖維達396平方米，用于電荷的運輸和儲存。而這些材料被緊緊地包含在毛細管柱里，以便可將其抽取出來，形成高體積能量密度。這種使用多個毛細管柱的過程，可使制造出的纖維連續不斷，并保持一貫的品質。

　　 經得起考驗的質地

　　 每日科學網日前報道稱，研究人員已經開發出一種連續生產這種彈性纖維的方式，使其能夠擴大生產以滿足各種應用。到目前為止，已經制作出50米長的纖維，具有靈活性，每立方厘米具有300法拉的高容量。

　　 在測試中，研究人員發現三對串聯排列的纖維具有三倍的電壓，同時可保持相同的充電/放電時間。與相同電流密度操作的單纖維相比，三對平行的纖維是在輸出電流和充電/放電時間方面具有三倍的效力。當把它們在兩個電極之間集成多個成對的纖維，其存儲電能的能力即電容，可根據所使用纖維的數量呈線性增加。

　　 使用聚乙烯醇/磷酸凝膠作為電解質，固態微型超級電容器由一對光纖制造可提供每立方毫米6.3微瓦小時的體積密度，可與4伏特500微安小時的薄膜鋰電池媲美。纖維超級電容器表現出超高能量密度值，同時保持了高功率密度和循環穩定性。

　　 研究人員說：“我們測試了這種光纖設備上萬次的充電/放電周期，其保留了原有的性能約93％，而傳統的充電電池壽命小于千次周期。”

　　 該小組還測試了這個設備的柔性能量存儲，對其不斷進行恒定的機械應力，最后對其性能的評價是：纖維超級電容器可持續無性能損失地工作，甚至在彎曲數百次之后，它們仍能保持靈活性，并在結構上長度保持一致。

　　 目前，研究人員正在降低成本以大批量生產這種纖維，旨在促使這種高性能的微型超級電容器商業化。