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功率技術/新能源  

纖維電容器可望為穿戴式裝置供電

上網時間: 2014年05月19日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:纖維電容器  可穿戴式  超級電容器  石墨烯  碳奈米管 

由新加坡南洋理工大學(NTU)、中國清華大學以及美國凱斯西儲大學(CWRU)的科學家們組成的一支跨國研究團隊宣稱開發出一種可織進衣物中的纖維電容器,從而為可穿戴式醫療監測器供電

超級電容器緊密結合由石墨烯與碳奈米管合成的纖維,因而能像一般薄膜鋰電池一樣儲存能量。開發人員們認為,在以碳為基礎的小尺寸超級電容器中,該元件的體積能量密度是迄今最高的──每立方毫米約6.3mA/小時。

該元件還具備比一般電池更快充電與放電的優點。利用纖維結構的混合材料提供易於利用的表面積,且具有高度導電性。

研究人員們已經開發出一種可連續生產這種彈性纖維的方式,使其可為多種應用擴大量產。研究人員表示目前已經可製造出50公尺長的纖維,但在長度方面並沒有限制。

科學家們預期這種纖維超級電容器可織進服飾中,為家中的醫療電子裝置供電;或是為野外士兵的通訊裝置供電。這種纖維還可作為一種節省空間的供電來源,在醫療植入裝置中作為「能源承載導線」。

這項研究由NTU化學工程教授Yuan Chen主導,並與NTU的Dingshan Yu、Kunli Goh、Hong Wang、Li Wei與Wenchao Jiang;清華大學的Qiang Zhang以及凱斯西儲大學的Liming Dai等科學家們共同合作;有關這項研究結果的論文已發表於《Nature Nanotechnology》中。

美國凱斯西儲大學高分子科學與工程學教授Liming Dai解釋,大部份的超級電容器都具有高功率密度,但能量密度低,這表示能夠快速充電並提升電力,但卻無法持續長時間。相反地,電池具有高能量密度但功率密度低,表示電池可維持長時間作業,但卻無法快速提供巨大能量。

透過緊密結合由石墨烯與碳奈米管合成纖維,超級電容器可實現相當於電池的能量儲存或能量密度。但由於需要可儲存能量的大量可用表面積,因而實際的能量密度仍不足。

這種纖維是經由含氧化酸、單壁碳奈米管、氧化石墨烯與乙二胺的溶液中產生,並合成含氮的石墨烯液,經過一個軟性毛細管柱進行輸送後再加熱6個小時。約幾個原子厚度的石墨烯薄片,以及整齊排列的單壁碳奈米管自組裝成為可運行該纖維的互連多孔網路。

透過這種方法,提供了大量可接觸的表面面積——每克混合纖維中約有396平方公尺可用於充電的傳輸與儲存。但這些材料被緊密地裝在毛細管柱中,從而在進行輸送時實現較高的體積能量密度。

在這一過程中使用多個毛細管柱,讓工程師們能夠持續製造出纖維,並維持一定的品質,Chen說。研究人員們已經製作出長達50公尺的纖維,這些纖維可維持每立方公分高達300法拉的高容量。在進行測試時,研究人員還發現其中三組串聯安排的纖維在保有同樣充電/放電時間的情況下,還可同時提高3倍電壓。

而相較於單纖維在相同電流密度作業時,三組並聯安排的纖維可使輸出電流提高3倍,以及增加3倍的充電/放電時間。 當整合兩電極間的多對纖維時,用於儲存電能的能力(即電容)根據所使用的纖維數量呈線性增加。

使用聚乙烯醇/磷酸凝膠作為電解質時,由一組纖維製造的固態微型超級電容器提供每立方公分6.3mW/小時的體積密度,相當於一顆4V、500mA薄膜鋰電池每小時的電量。纖維超級電容器可表現出超高能量密度值,並同時保持高功率密度與週期穩定性。

「我們已經為此纖維元件進行10,000次充電/放電週期的測試了,它仍然能夠維持原有性能的93%,」Yu說,「而傳統的充電電池甚至還達不到1,000次週期的使用壽命。」

該研究團隊還為該元件的可撓性能量儲存性能進行測試——使該元件經過連續機械應力,並評估其性能。「這種纖維超級電容器可連續作業,而無損於其性能,甚至是經過幾百次彎曲,」Yu說。

據Chen表示,「因為這種纖維元件具有可撓性,且其長度的結構一致,因而還能以交錯方式織進衣物中,實現可穿戴式裝置。」

該研究團隊並積極測試與尋找這種纖維的其他多種功能應用,包括電池、太陽能電池、生物燃料電池,以及用於可撓式與可穿戴式光電系統的感測器等。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Fiber Supercapacitor Aims to Power Wearable Devices,by Paul Buckley, EE Times Europe)





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