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美国杜克大学开发出高性能柔性超级电容器

时间:2020-03-25 16:02 来源: 作者:木木

[据美国最新科技网站2020年3月22日报道] 美国杜克大学和密歇根州立大学的研究人员设计出了一种新型柔性超级电容器,即使将其拉伸到其原始大小的8倍,也可以保持功能稳定,且不会因反复拉伸而出现任何磨损,在10000次充放电循环后电能损失低于10%。该新型柔性超级电容器将成为可穿戴电子设备或生物医学设备的重要组成部分,为可拉伸柔性电子设备提供技术保障。

研究结果于3月19日在线发表在Cell Press的杂志《Matter》上。研究团队包括密歇根州立大学(MSU)的助理教授曹长勇(音译)和杜克大学的教授Jeff Glass。他们的合著者是来自杜克大学的博士生周一豪(音译)和韩启伟(音译)以及研究科学家查尔斯·帕克,以及来自麻省理工学院的博士生曹云另版葡京赌侠诗2019年年资料腾(音译)。

密歇根州立大学柔性机械和电子学实验室主任说:“我们的目标是开发能够承受拉伸,扭曲或弯曲等机械变形而又不损失性能的创新设备。但是,如果可伸缩电子设备的电源不可伸缩,那么整个设备系统将被限制为不可伸缩的。”超级电容器像电池一样存储能量,但有一些重要的区别。与化学存储能量并通过化学反应产生电荷的电池不同,静电双层超级电容器(EDLSC)通过电荷分离存储能量,且必须从外部充电。在充电过程中,电子积聚在设备的一部分上,并从另一部分移出,因此,当两侧连接时,电流会在它们之间快速流动。

与电池不同的是,超级电容器能够在短时间内释放能量,充放电速度也比电池快得多,而且比可充电电池能承受更多的充放电周期。这使得它们非常适合短、高功率应用。但是大多数超级电容器的硬度和脆性与电路板上的任何其他组件一样。这就是为什么Cao和Glass花费了数年的时间来开发可伸缩版本的原因。在他们的新论文中,研究人员展示了他们的工作成果,他们制造了一个邮票大小的超级电容器,可以承载超过2伏的电压。当把四个连接在一起时,超级电容器可以为一个2伏卡西欧手表供电一个半小时。

为了制造这种可拉伸的超级电容器,格拉斯和他的研究小组首先在硅片上生长了一片碳纳米管森林—数百万个直径只有15纳米、高20~30微米的纳米管。研究人员随后在碳纳米管森林的顶部覆盖了一层薄薄的金纳米薄膜。金层就像一种集电器,使器件的电阻比以前的版本低一个数量级,这使得器件的充放电速度更快。然后,将碳纳米管森林转移到预拉伸的弹性体基底上,基底金面朝下。凝胶填充的电极被放松,以释放预应变,使其收缩至原始尺寸的四分之一。这一过程将薄薄的一层黄金压皱,并将碳纳米管森林中的“树木”打碎。

Glass解释说:“起皱极大地增加了小空间的可用表面积,从而增加了它所能容纳的电荷数量。如果我们有世界上所有的工作空间,平面就可以了。但是如果我们想要一个超级电容器,可以用在真正的设备上,我们需要把它做得尽可能小。”超密的碳纳米管森林中充满了凝胶电解质,可以在纳米管表面捕获电子。当这两个最终电极被夹在一起时,施加的电压在一边加载电子,而另一边则被耗尽,形成一个带电的超级电容器。

曹说“我们仍有一些工作要做,以建立一个完整的可伸缩的电子系统,本文展示的超级电容器还没有达到我们希望的程度。但有了这种强大的可拉伸超级电容器的基础,我们将能够把它集成到一个由可拉伸电线、传感器和探测器组成的系统中,创造出完全可拉伸的设备。”

研究人员解释说,可拉伸超级电容器可以独立为一些未来设备提供动力,或者可以与其他部件结合来克服工程挑战。例如,超级电容器可以在几秒钟内充电,然后慢慢给作为设备主要能源的电池充电。这种方法已经用于混合动力汽车的再生制动,在混合动力汽车中,能量产生的速度比储存的速度快,超级电容器提高了整个系统的效率。

Glass说“很多人想把超级电容器和电池结合在一起,超级电容器可以快速充电,并能经受数千甚至数百万次充电循环,而电池可以储存更多的电荷,因此可以持续很长时间,它们在同一个电气系统中具有两种不同的功能。”(国家工业信息安全发展研究中心 李茜楠 )

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