纖維結(jié)構(gòu)超級電容器有望為穿戴設(shè)備提升續(xù)航

由新加坡南洋理工大學(NTU)、中國清華大學以及美國凱斯西儲大學(CWRU)的科學家們組成的一支跨國研究團隊宣稱開發(fā)出一種可織進衣物中的纖維電容器，從而為可穿戴式醫(yī)療監(jiān)測器供電。該超級電容器緊密結(jié)合由石墨烯與碳奈米管合成的纖維，因而能像一般薄膜鋰電池一樣儲存能量。開發(fā)人員們認為，在以碳為基礎(chǔ)的小尺寸超級電容器中，該元件的體積能量密度是迄今最高的每立方毫米約6.3mA/小時。

該元件還具備比一般電池更快充電與放電的優(yōu)點。利用纖維結(jié)構(gòu)的混合材料提供易于利用的表面積，且具有高度導電性。

研究人員們已經(jīng)開發(fā)出一種可連續(xù)生產(chǎn)這種彈性纖維的方式，使其可為多種應用擴大量產(chǎn)。研究人員表示目前已經(jīng)可制造出50公尺長的纖維，但在長度方面并沒有限制。

科學家們預期這種纖維超級電容器可織進服飾中，為家中的醫(yī)療電子裝置供電；或是為野外士兵的通訊裝置供電。這種纖維還可作為一種節(jié)省空間的供電來源，在醫(yī)療植入裝置中作為「能源承載導線」。

這項研究由NTU化學工程教授YuanChen主導，并與NTU的DingshanYu、KunliGoh、HongWang、LiWei與WenchaoJiang；清華大學的QiangZhang以及凱斯西儲大學的LimingDai等科學家們共同合作；有關(guān)這項研究結(jié)果的論文已發(fā)表于《NatureNanotechnology》中。

美國凱斯西儲大學高分子科學與工程學教授LimingDai解釋，大部份的超級電容器都具有高功率密度，但能量密度低，這表示能夠快速充電并提升電力，但卻無法持續(xù)長時間。相反地，電池具有高能量密度但功率密度低，表示電池可維持長時間作業(yè)，但卻無法快速提供巨大能量。

透過緊密結(jié)合由石墨烯與碳奈米管合成纖維，超級電容器可實現(xiàn)相當于電池的能量儲存或能量密度。但由于需要可儲存能量的大量可用表面積，因而實際的能量密度仍不足。

這種纖維是經(jīng)由含氧化酸、單壁碳奈米管、氧化石墨烯與乙二胺的溶液中產(chǎn)生，并合成含氮的石墨烯液，經(jīng)過一個軟性毛細管柱進行輸送后再加熱6個小時。約幾個原子厚度的石墨烯薄片，以及整齊排列的單壁碳奈米管自組裝成為可運行該纖維的互連多孔網(wǎng)路。

透過這種方法，提供了大量可接觸的表面面積—每克混合纖維中約有396平方公尺可用于充電的傳輸與儲存。但這些材料被緊密地裝在毛細管柱中，從而在進行輸送時實現(xiàn)較高的體積能量密度。

在這一過程中使用多個毛細管柱，讓工程師們能夠持續(xù)制造出纖維，并維持一定的品質(zhì)，Chen說。研究人員們已經(jīng)制作出長達50公尺的纖維，這些纖維可維持每立方公分高達300法拉的高容量。在進行測試時，研究人員還發(fā)現(xiàn)其中三組串聯(lián)安排的纖維在保有同樣充電/放電時間的情況下，還可同時提高3倍電壓。

而相較于單纖維在相同電流密度作業(yè)時，三組并聯(lián)安排的纖維可使輸出電流提高3倍，以及增加3倍的充電/放電時間。當整合兩電極間的多對纖維時，用于儲存電能的能力(即電容)根據(jù)所使用的纖維數(shù)量呈線性增加。

使用聚乙烯醇/磷酸凝膠作為電解質(zhì)時，由一組纖維制造的固態(tài)微型超級電容器提供每立方公分6.3mW/小時的體積密度，相當于一顆4V、500mA薄膜鋰電池每小時的電量。纖維超級電容器可表現(xiàn)出超高能量密度值，并同時保持高功率密度與周期穩(wěn)定性。

該研究團隊并積極測試與尋找這種纖維的其他多種功能應用，包括電池、太陽能電池、生物燃料電池，以及用于可撓式與可穿戴式光電系統(tǒng)的感測器等。