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超級電容器新突破:手機外殼可望取代電池

上網時間: 2014年07月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:超級電容器  鋰離子電池  承重複合材料  晶圓 

跟你的手機電池和充電器說聲再見吧!一種新的結構材料可以將行動裝置的整個外殼變成一個混合式超級電容器/電池,從而取代傳統的電池。

位於美國田納西州的范德堡大學(Vanderbilt University)奈米材料與能源裝置實驗室的研究人員們最近設計出一種新的混合材料,它結合了超級電容器和電池的優點,十分適於做成這類行動裝置的外殼。雖然目前這種材料的能量密度仍低於鋰離子電池,但更大尺寸的外殼足以彌補能量的不足,而且它還騰出了傳統電池佔用的空間。

范德堡大學教授Cary Pint透露他與該校博士候選人Andrew Westover目前正進行的這項研究,「我們的研究團隊正致力於開發混合式『電容器-電池』,其表現就像電容器一樣,能夠像超級電容器那樣保持超長的充放電生命週期,而且還能儲存以及提供幾乎相當於目前鋰離子電池的能量。」

Pint希望這種混合式超級電容器材料可被製造於所有類型的建築計畫結構中──從房屋的外牆和側板牆到飛機的底盤。「研究這種技術的主要目的之一是希望開發出能夠整合於房屋中的儲能材料,從而提高屋頂太陽能電池的經濟價值,並實現分佈式電網系統。」

蘋果US008730179B2專利採用一種光電觸控螢幕可收集足夠的環境光線,無需電源線就能為採用超級電容器外殼的行動裝置充電。
蘋果發佈專利US008730179B2採用了一種光電觸控螢幕,據稱可以收集足夠的環境光線,無需電源線就能為採用超級電容器外殼的行動裝置充電。

蘋果公司日前發佈一項可在較小尺寸應用中將太陽能電池板嵌入於觸控螢幕的專利消息。雖然這項消息的發佈與范德堡大學的超級電容器無關,但搭配光電觸控螢幕的行動裝置與超級電容器外殼的組合據稱可以收集足夠的環境光線,從而為無電源線的行動設備充電。

Pint表示,「在這類設備中,其基本原理是相同的,只不過可攜式裝置的尺寸更小罷了。」

然而,無論是哪一種應用,其目的基本上都是相同的,也就是說,將結構材料變成仍然具有與傳統結構材料相同承載耐用性的儲能裝置,但該諸能系統的使用壽命還得超過在作為建築材料時的壽命。

「我認為這項研究工作的一些重要成果是,承載儲能不會影響系統中所用材料的充電儲存能力,而由這個領域還可催生出更多的發展方向。」

圖中的結構材料實際上是一種能在裝置外殼中儲存能量的超級電容器,而無需額外的電池元件。
圖中的結構材料實際上是一種能在裝置外殼中儲存能量的超級電容器,而無需額外的電池元件。
(來源:范德堡大學)

Pint的團隊所開發的超級電容器目前能夠儲存的能量比鋰離子電池少10倍,但可以用它們作為其中一部份結構的量進行彌補,而且它們的壽命比電池長1,000倍,使其十分適合行動裝置、汽車、飛機與家庭等使用。

「在某些情況下我也不得不站出來說幾句,‘總能量’應該是我們最關心的一個衡量指標。儲存的能量少10倍,放電次數多1,000倍,這意味著在系統壽命內可儲存的能量多100倍。因此這些超級電容器更適合結構性的應用。如果每隔幾年就因材料失效而要更換,那麼開發這種材料來蓋房屋、打造汽車底盤或航空飛行器就沒什麼意義了。

工作原理

在Pint的原型中,電極是以矽晶圓製造的。晶圓的一邊採用化學製程處理,內面覆蓋著奈米級孔洞。然後在孔洞中沈積超薄的碳層──類似石墨烯。如同電池中的電解液一樣,保留帶電離子的聚合物層接著在滲漏進孔洞之處形成兩個晶圓/電極之間的夾層。在聚合體冷卻和固化後,整個雙晶圓結構就會變得異常穩定,能夠有效地防止脫層,Pint指出。

范德堡大學的超級電容器(右)內部非常結實,能夠保持其結構的完整性。
傳統的固態超級電容器(左)很容易脫層,但范德堡大學的超級電容器(右)內部非常結實,能夠保持其結構的完整性。
(來源:范德堡大學)

透過這種方法做成的超級電容器幾分鐘就可能充飽電──電池則要幾個小時才能充飽──而且可以承受每平方英吋高達44磅的應力和壓力以及超過80g的振動加速度。雖然展示用的超級電容器是用矽晶打造的,但研究人員計劃進一步改善其承載複合材料技術,以適合更具強韌性的應用。具體措施是利用輕量級的多孔金屬(如鋁)代替嵌入奈米管的碳複合材料。

Pint認為,「在任何複合材料中,無論是用於航空系統還是電子裝置的外殼,最理想的狀態都是外部保持平滑的功能表面,儲能功能則建構在堅固的內部材料層中。」

此外,包括范德堡大學教授Amrutur Anilkumar、博士後助理Shahana Chatterjee、博士候選人Landon Oakes,以及主修機械工程系的大學生John Tian、Shivaprem Bernath和Farhan Nur Shabab,當地高中生Rob Edwards,均對這項研究有所貢獻。

奈米級多孔表面性能可實現高效率的電荷儲存,而多孔材料仍使電氣和機械上保持與底部看得見的大塊電極連接。
奈米級多孔表面性能可實現高效率的電荷儲存,而多孔材料仍使電氣和機械上保持與底部看得見的大塊電極連接。
(來源:范德堡大學)

美國能源部(DoE)的先進能源研究計劃署(ARPA-E)在專注於將能量儲存整合於結構材料的研究方面已經投資870萬美元。獲得能源部基礎能源科學辦公室支持的美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)奈米相位材料科學中心協助提供這類材料的製造。范德堡大學的資金則由美國國家科學基金會(NSF)提供。

(參考原文:Supercaps Breakthrough: Phone Case to Replace Battery,by R. Colin Johnson)





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