超等電容或?qū)⒖梢曰蛟S成為能源獨立/可拉伸電子系統(tǒng)的一部門

2020-05-12 16:17:00 中國航空報 邊際

這些發(fā)展在預(yù)先向一個偏向拉伸過的彈性體基質(zhì)上的碳納米管，在前者收縮后變?yōu)橄駞擦忠粯拥年嚵?。這一（伸縮）進程形成了可拉伸超等電容，它們可以或許在更小的空間儲存更多電荷，并在被拉伸至原始尺寸的八倍后仍正常事情。

中國航空報訊：來自美國杜克大學(xué)和密歇根州立大學(xué)的研究人員研發(fā)出了一種新型超等電容，它在被拉伸至原始尺寸的八倍后仍能正常事情。這種電容在反復(fù)的拉伸進程中沒有呈現(xiàn)任何磨損的陳跡，其儲電機能在高達10000次的充放電輪回后也只低落了幾個百分點。

研究人員等候這種超等電容可以或許成為能源獨立、可拉伸且機動的電子系統(tǒng)的一部門，好比用于可穿著電子產(chǎn)物或生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。

Cell出書社旗下的Matter于3月19日在線登載了他們的研究成就。該研究團隊中有來自密歇根州立大學(xué)包裝、機器工程、電氣和計較機工程系的副傳授、論文主要作者Changyong Cao，以及來自杜克大學(xué)電氣和計較機工程系的傳授、論文主要作者Jeff Glass。（論文）合著者有同樣來自杜克大學(xué)的博士生Yihao Zhou、Qiwei Han和研究員Charles Parker，以及來自麻省理工學(xué)院的博士生Yunteng Cao。

密歇根州立大學(xué)軟體機器和電子嘗試室主任Cao暗示，“我們的方針是研發(fā)一種新型設(shè)備，要求它可以或許擔(dān)當(dāng)拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲等變形而不低落機能。但假如這種可拉伸電子設(shè)備的電源無法拉伸， 那么整個系統(tǒng)都將受限。”

超等電容可以或許像電池那樣儲存能量， 但二者間又有幾點重要差別。電池儲存化學(xué)能并通過化學(xué)回響生成電荷；差異于此，雙電層超等電容（EDLSC）通過疏散（電介質(zhì)中的）電荷儲存能量，無法獨立發(fā)生電流而必需從外部充能。在充電進程中， 10UF 16V，（正負）電荷別離聚積在電容兩側(cè)；當(dāng)這兩側(cè)被連通時，便能瞬間發(fā)生電流。

同樣地，差異于電池的長時間遲鈍放電，超等電容可以或許在短時間內(nèi)大量放電。相較于充電電池，超等電容充放電的速度更快，可以或許完成的充放電輪回也更多。這使得超等電容可以或許完美適應(yīng)短時間大功率放電的應(yīng)用場景，好比觸發(fā)拍照機閃光或立體聲響的擴音器。

然而，大大都超等電容都和電路板上其他組件一樣堅固并且易碎，這正是Cao和Glass耗費數(shù)年時間研究可拉伸電容的原因。

研究人員在他們最新的論文中展示了研究事情的結(jié)晶：一塊郵票巨細的、電壓高出2伏特的超等電容。將這樣的四塊超等電容并聯(lián)在一起（因為很多設(shè)備利用的是AA或AAA型電池），可以或許為一塊額定電壓為2伏特的卡歐美手表供電一個半小時。

為了出產(chǎn)可拉伸超等電容，Glass和他的團隊首先在硅基上制作了一片碳納米管“叢林”——由數(shù)百萬根直徑15納米、高20~30微米的碳納米管構(gòu)成。這些碳納米管的尺寸或許是迄今最小的細菌的寬度。

第二步，研究人員在碳納米管“叢林”上面包圍一層納米厚度的金箔。這層用來收集電荷的金箔，將超等電容的電阻較之前的產(chǎn)物低落了一個數(shù)量級，使得（此刻的）產(chǎn)物可以或許更快地充放電。

接下來，Glass將事情轉(zhuǎn)交給Cao， 后者將碳納米管“叢林”轉(zhuǎn)移至金質(zhì)基底的、預(yù)先拉伸過的彈性體基質(zhì)上。隨后向個中注入電極填充凝膠，使得預(yù)先拉伸過的基質(zhì)收縮至原始尺寸的四分之一。這一進程將金箔揉碎，并和碳納米管叢林中的“樹”殽雜在一起。

Glass表明道，“這一揉碎進程大幅增加了有限空間內(nèi)的外貌積，進而增加了電荷儲量。假如答允我們將超等電容做玉成世界所有衡宇加起來那樣大，那么一個平面就足夠（儲存電荷）了；但現(xiàn)實是要想在實際糊口中利用超等電容， 就要將它做得盡大概小。”

最后，一種可以或許在碳納米管外貌捕捉電荷的電解質(zhì)凝膠被填充進超等茂密的“叢林”中。當(dāng)電極兩兩之間像三明治那樣組合在一起，加載的電壓便將個中的電荷疏散到兩側(cè)電極上，并最終形成一塊充電的可拉伸超等電容。

Cao增補道，“還需要做一些事情以構(gòu)建一個完整的可拉伸電子系統(tǒng)。固然論文中展示的超等電容還未到達我們的期望，但有了這個強大的可拉伸超等電容作為基本，我們便可以將它整合進由可拉伸線路、傳感器和探測器構(gòu)成的系統(tǒng)中，制造出完整的可穿著設(shè)備。”