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新型超级电容器来了!可拉伸到原来大小的8倍 1万次充放电能量损耗极低
2020-03-21 19:13 前瞻网   

 

杜克大学和密歇根州立大学的研究人员设计了一种新型超级电容器,即使将其拉伸到原来大小的8倍,它仍能充分发挥功能。它不会因反复拉伸而产生任何磨损,在1万次充放电后,其能量性能仅损耗几个百分点。

研究人员设想的超级电容器是一个电力独立、可伸缩、灵活的电子系统的一部分,应用于可穿戴电子设备或生物医学设备。

研究结果发表在3月19日的《Matter》杂志网络版上。研究团队包括密歇根州立大学包装、机械工程、电子和计算机工程助理教授Changyong Cao,以及杜克大学电子和计算机工程教授、高级作者Jeff Glass。他们的合著者是来自杜克大学的博士生Yihao Zhou和Qiwei Han,研究科学家Charles Parker,以及来自麻省理工学院的博士生Yunteng Cao。

“我们的目标是开发出一种创新的设备,能够在拉伸、扭转或弯曲等机械变形的情况下不丧失性能。” Changyong Cao说,他是密歇根州立大学软机械和电子实验室的主任。“但如果可拉伸电子设备的电源不可拉伸,那么整个设备系统将被限制为不可拉伸。”

超级电容器能像电池一样储存能量,但有一些重要的区别。与通过化学反应储存能量并产生电荷的电池不同,静电双层超级电容器(EDLSC)是通过电荷分离来储存能量,并且不能自己发电。它必须从外部来源充电。在充电过程中,电子在设备的一个部分被建立起来,然后从另一个部分被移除,因此当两边连接起来时,电就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大量能量,而不是通过缓慢的细水长流。它们的充放电速度也比电池快得多,而且比可充电电池的充放电周期更长。这使得它们非常适合于短时间、高功率的应用,例如在照相机中设置闪光灯或在立体声音响中设置放大器。

但是大多数超级电容器和电路板上的其他元件一样坚硬易碎。这就是为什么Changyong Cao和Jeff Glass花了几年时间来研究可拉伸的版本。

在他们的新论文中,研究人员展示了他们在这一点上的成果,制造了一个邮票大小的超级电容器,可以携带超过2伏电压。当4个超级电容连接在一起时,就像许多设备需要AA或AAA电池一样,超级电容可以为2伏卡西欧手表供电一个半小时。

为了制造可伸缩的超级电容器,Glass和他的研究团队首先在硅片上种植了一片碳纳米管林——由数百万纳米管组成,直径只有15纳米,高20-30微米。这大约是最小的细菌的宽度和它感染的动物细胞的高度。

然后,研究人员在碳纳米管森林的顶部覆盖一层薄薄的金纳米膜。金层就像一种电收集器,将设备的电阻降低一个数量级,使设备能够更快地充放电。

然后,Glass将工程流程交给Changyong Cao, 后者将碳纳米管森林转移到金层朝下的预拉伸弹性体基板上;再将充满凝胶的电极放松,使预应变释放,让其缩小到原来大小的四分之一。这一过程将薄薄的一层金压碎,并将碳纳米管森林中的“树”压在一起。

“这种弯曲大大增加了在一小块空间内可用的表面积,从而增加了它所能容纳的电荷量。”Glass解释道,“如果我们拥有全世界所有的空间,平坦的表面将可以正常工作。但如果我们想要一个超级电容器,用于真正的设备,那就需要使它尽可能小。”

然后用凝胶电解质填充这块密密麻麻的“森林”,在纳米管表面捕获电子。当最后两个电极夹在一起时,施加的电压使一侧的电子负载,而另一侧的电子被抽干,就形成了一个充电的超级可拉伸超级电容器。

“我们还需要做一些工作来建立一个完整的可伸缩的电子系统。” Changyong Cao说,“在这篇论文中展示的超级电容器还没有达到我们想要的程度。但有了这个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导线、传感器和探测器组成的系统中,从而创造出完全可拉伸的设备。”

研究人员解释说,可拉伸的超级电容器自己可以为一些未来的设备供电,或者可以与其他元件相结合来克服工程上的挑战。例如,超级电容器可以在几秒钟内充电,然后缓慢地给作为设备主要能量来源的电池充电。这种方法已被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。或者,正如日本已经证明的那样,超级电容器可以为城市通勤的公交车提供动力,在每一站完成一次完全充电所需的时间很短。

“很多人想把超级电容器和电池连接在一起。”Glass说。“超级电容器充电速度快,可以承受数千次甚至数百万次的充电,而电池可以储存更多的电量,因此可以使用很长时间。把它们放在一起不失为两全其美的办法,毕竟它们在同一个电气系统中有两种不同的功能。”

原文来源:https://www.sciencedaily.com/releases/2020/03/200319142441.htm

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责任编辑: 3976DBC

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