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微型超級電容可為穿戴裝置量身打造電源

上網時間: 2015年12月23日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:微型超級電容  穿戴式裝置  電容器  功率密度  碳奈米管 

微型超級電容可為穿戴裝置量身打造電源

美國凱斯西儲大學(Case Western Reserve University;CWRU)的研究人員開發出一種軟性的線形微型超級電容(microsupercapacitor),可織入於外套、襯衫或衣裙中,從而為可穿戴式電子裝置創造出量身打造的電源。

透過設計或以串聯/並聯的方式連接電容器,該元件可被量身打造成為搭配穿戴式裝置所需的充電儲存與傳輸。

儘管像隨身攝影機、智慧眼鏡、監測健康感測器與活動追蹤器等穿戴式電子產品持續進展,但仍面臨一項挑戰——只能提供很少且充電麻煩的電源。


線形的微型超級電容器無需彎曲,即可織入白色織品中(來源:CWRU)

「服裝的大小是固定的,因此,為了在較小區域產生所需的功率密度,我們在作為主要電極的鈦線上生長徑向校準的氧化鈦奈米管,」凱斯西儲大學高分子科學與工程Kent Hale Smith教授戴黎明表示,「藉由增加電極的表面積,就能提高電容值。」

戴黎明與凱斯西儲大學分子科學與工程系博士後研究員Tao Chen在最新一期的《能量儲存材料》(Energy Storage Materials)期刊中發表了他們在微型超級電容的研究成果。

電容與電池是系出同門的儲能元件,但電容提供了更快充電和放電的優點。

在這款新開發的超級電容器中,在調整過的鈦線上覆以由聚乙烯醇和磷酸製造的固體電解質塗層,再用紗線或排列整齊的碳奈米管薄膜包覆鈦線,作為次電極。氧化鈦奈米管是一種半導體,可兩電極的兩個主動部份區隔開來,以免發生短路。

在進行測試時,當碳奈米管線紗股線從1增加到2再到3時,電容每微米(mm)的儲電能力也從0.57毫法拉(mf)增加到0.9mf,再增加到1.04mf。

而當以碳奈米管薄層包覆時,增加了電極的有效面積,使微型超級電容每微米可儲存1.84mf 的電量。能量密度約為每立方公分0.16 x 10-3mW,而功率密度約為每立方公分0.01mW。

無論是否包覆線紗或薄層,微型超級電容在經過1,000次充放電週期後,仍能保有至少80%的電容。研究人員表示,為了搭配穿戴式裝置的各種特殊電源需求,這種線形的電容器能以串聯或並聯的方式提高電壓或電流。

當經過幾百次的180度彎曲後,該電容器仍可展現毫無損耗的性能。而且採用薄層包覆的方式更能展現較高的機械強度。

戴黎明說,「這種微型超級電容十分輕柔,因此能整合於織物或紡織材料中,為穿戴式裝置提供可穿戴的軟性電源,而且也可用於自供電生物感測器或其他生醫裝置,特別適於人體內的應用。」

目前,研究人員正著手將線形電容織入紡織物中,並進一步使其與穿戴式裝置整合。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Power source tailored for wearable electronics,by Jean-Pierre Joosting)





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