纤维结构超级电容器有望为穿戴设备提升续航

纤维结构超级电容器有望为穿戴设备提升续航

       由新加坡南洋理工大学(NTU)、中国清华大学以及美国凯斯西储大学(CWRU)的科学家们组成的一支跨国研究团队宣称开发出一种可织进衣物中的纤维电容器，从而为可穿戴式医疗监测器供电。该超级电容器紧密结合由石墨烯与碳奈米管合成的纤维，因而能像一般薄膜锂电池一样储存能量。开发人员们认为，在以碳为基础的小尺寸超级电容器中，该元件的体积能量密度是迄今最高的──每立方毫米约6.3mA/小时。

       该元件还具备比一般电池更快充电与放电的优点。利用纤维结构的混合材料提供易于利用的表面积，且具有高度导电性。

       研究人员们已经开发出一种可连续生产这种弹性纤维的方式，使其可为多种应用扩大量产。研究人员表示目前已经可制造出50公尺长的纤维，但在长度方面并没有限制。

       科学家们预期这种纤维超级电容器可织进服饰中，为家中的医疗电子装置供电；或是为野外士兵的通讯装置供电。这种纤维还可作为一种节省空间的供电来源，在医疗植入装置中作为「能源承载导线」。

       这项研究由NTU化学工程教授Yuan Chen主导，并与NTU的Dingshan Yu、Kunli Goh、Hong Wang、Li Wei与Wenchao Jiang；清华大学的Qiang Zhang以及凯斯西储大学的Liming Dai等科学家们共同合作；有关这项研究结果的论文已发表于《Nature Nanotechnology》中。

       美国凯斯西储大学高分子科学与工程学教授Liming Dai解释，大部份的超级电容器都具有高功率密度，但能量密度低，这表示能够快速充电并提升电力，但却无法持续长时间。相反地，电池具有高能量密度但功率密度低，表示电池可维持长时间作业，但却无法快速提供巨大能量。

       透过紧密结合由石墨烯与碳奈米管合成纤维，超级电容器可实现相当于电池的能量储存或能量密度。但由于需要可储存能量的大量可用表面积，因而实际的能量密度仍不足。

       这种纤维是经由含氧化酸、单壁碳奈米管、氧化石墨烯与乙二胺的溶液中产生，并合成含氮的石墨烯液，经过一个软性毛细管柱进行输送后再加热6个小时。约几个原子厚度的石墨烯薄片，以及整齐排列的单壁碳奈米管自组装成为可运行该纤维的互连多孔网路。

       透过这种方法，提供了大量可接触的表面面积——每克混合纤维中约有396平方公尺可用于充电的传输与储存。但这些材料被紧密地装在毛细管柱中，从而在进行输送时实现较高的体积能量密度。

       在这一过程中使用多个毛细管柱，让工程师们能够持续制造出纤维，并维持一定的品质，Chen说。研究人员们已经制作出长达50公尺的纤维，这些纤维可维持每立方公分高达300法拉的高容量。在进行测试时，研究人员还发现其中三组串联安排的纤维在保有同样充电/放电时间的情况下，还可同时提高3倍电压。

       而相较于单纤维在相同电流密度作业时，三组并联安排的纤维可使输出电流提高3倍，以及增加3倍的充电/放电时间。 当整合两电极间的多对纤维时，用于储存电能的能力(即电容)根据所使用的纤维数量呈线性增加。

       使用聚乙烯醇/磷酸凝胶作为电解质时，由一组纤维制造的固态微型超级电容器提供每立方公分6.3mW/小时的体积密度，相当于一颗4V、500mA薄膜锂电池每小时的电量。纤维超级电容器可表现出超高能量密度值，并同时保持高功率密度与周期稳定性。

       「我们已经为此纤维元件进行10,000次充电/放电周期的测试了，它仍然能够维持原有性能的93%，」Yu说，「而传统的充电电池甚至还达不到1,000次周期的使用寿命。」

       该研究团队还为该元件的可挠性能量储存性能进行测试——使该元件经过连续机械应力，并评估其性能。「这种纤维超级电容器可连续作业，而无损于其性能，甚至是经过几百次弯曲，」Yu说。

       据Chen表示，「因为这种纤维元件具有可挠性，且其长度的结构一致，因而还能以交错方式织进衣物中，实现可穿戴式装置。」

       该研究团队并积极测试与寻找这种纤维的其他多种功能应用，包括电池、太阳能电池、生物燃料电池，以及用于可挠式与可穿戴式光电系统的感测器等。