智能服裝新突破 衣服也能改造成電池

[編輯:Cyx]  [發(fā)布時(shí)間:2015-08-21]  [科技訊]

　　新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)、中國(guó)清華大學(xué)和美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種像纖維一樣的柔性微型超級(jí)電容器，可織成衣服作為穿戴式醫(yī)療監(jiān)控、通訊設(shè)備或其他小型電子產(chǎn)品的電源，在研發(fā)新型儲(chǔ)能裝置方面邁出了一大步。該研究成果已在《自然納米技術(shù)》上發(fā)布。

　　這種新型設(shè)備是一種超級(jí)電容器，猶如電池家族中的“堂弟”。它囊括的石墨烯和碳納米管的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)十分緊致，其存儲(chǔ)的能量相比一些薄膜鋰電池更具優(yōu)勢(shì)。該裝置具有保持充電和釋放能量比電池快得多的優(yōu)點(diǎn)。這種纖維結(jié)構(gòu)的雜化材料提供了巨大可接觸的表面區(qū)域，并高度導(dǎo)電。

　　研究人員相信，這一體積的存儲(chǔ)容量(稱(chēng)為體積能量密度)是迄今基于碳的微型超級(jí)電容器的最高值：每立方毫米6.3微瓦特小時(shí)。

　　該纖維還可以十字交叉的方式織成服裝，作為在智能紡織品方面的可穿戴設(shè)備。例如，這樣的衣服可以為在家攜帶生物醫(yī)學(xué)監(jiān)控儀器的病人供電，可提供信息給在醫(yī)院的醫(yī)生?？椚胫品耠姵匕愕某?jí)電容器可為顯示器或通信的晶體管提供電源。

　　研究人員說(shuō)，這種纖維可能是一個(gè)節(jié)省空間的電源，作為醫(yī)療植入物的“能量運(yùn)送導(dǎo)線”，可為在家的病人或老人供電給醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備，或者在野外為士兵使用通信設(shè)備提供電源。

　　此外，研究人員還饒有興趣地測(cè)試了這些纖維的多功能應(yīng)用，包括電池、太陽(yáng)能電池、生物燃料電池及可靈活、穿戴式光電系統(tǒng)的傳感器。研究人員說(shuō)：“我們已經(jīng)開(kāi)辟了許多可能性，未來(lái)仍然有很多事情要做。”

　　魚(yú)與熊掌如何得兼?具體做法是設(shè)計(jì)混合纖維以提高體積能量密度，含有氧化過(guò)的酸性單層碳納米管、氧化石墨烯和亞乙基二胺，以促進(jìn)合成和用氮給石墨烯涂層，通過(guò)柔性狹窄增強(qiáng)管即毛細(xì)管柱泵送，在烘箱中加熱6個(gè)小時(shí)。

　　石墨烯片中，只有幾個(gè)原子厚、并且排列成一條線的碳納米管自組裝成運(yùn)行纖維長(zhǎng)度的多孔互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如此安排提供了大量可接觸的表面積，每克混雜纖維達(dá)396平方米，用于電荷的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。而這些材料被緊緊地包含在毛細(xì)管柱里，以便可將其抽取出來(lái)，形成高體積能量密度。這種使用多個(gè)毛細(xì)管柱的過(guò)程，可使制造出的纖維連續(xù)不斷，并保持一貫的品質(zhì)。

　　日前有報(bào)道稱(chēng)，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種連續(xù)生產(chǎn)這種彈性纖維的方式，使其能夠擴(kuò)大生產(chǎn)以滿足各種應(yīng)用。到目前為止，已經(jīng)制作出50米長(zhǎng)的纖維，具有靈活性，每立方厘米具有300法拉的高容量。

　　在測(cè)試中，研究人員發(fā)現(xiàn)三對(duì)串聯(lián)排列的纖維具有三倍的電壓，同時(shí)可保持相同的充電/放電時(shí)間。與相同電流密度操作的單纖維相比，三對(duì)平行的纖維是在輸出電流和充電/放電時(shí)間方面具有三倍的效力。當(dāng)把它們?cè)趦蓚€(gè)電極之間集成多個(gè)成對(duì)的纖維，其存儲(chǔ)電能的能力即電容，可根據(jù)所使用纖維的數(shù)量呈線性增加。

　　使用聚乙烯醇/磷酸凝膠作為電解質(zhì)，固態(tài)微型超級(jí)電容器由一對(duì)光纖制造可提供每立方毫米6.3微瓦小時(shí)的體積密度，可與4伏特500微安小時(shí)的薄膜鋰電池媲美。纖維超級(jí)電容器表現(xiàn)出超高能量密度值，同時(shí)保持了高功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性。

　　研究人員說(shuō)：“我們測(cè)試了這種光纖設(shè)備上萬(wàn)次的充電/放電周期，其保留了原有的性能約93%，而傳統(tǒng)的充電電池壽命小于千次周期。”

　　該小組還測(cè)試了這個(gè)設(shè)備的柔性能量存儲(chǔ)，對(duì)其不斷進(jìn)行恒定的機(jī)械應(yīng)力，最后對(duì)其性能的評(píng)價(jià)是：纖維超級(jí)電容器可持續(xù)無(wú)性能損失地工作，甚至在彎曲數(shù)百次之后，它們?nèi)阅鼙３朱`活性，并在結(jié)構(gòu)上長(zhǎng)度保持一致。

　　目前，研究人員正在降低成本以大批量生產(chǎn)這種纖維，旨在促使這種高性能的微型超級(jí)電容器商業(yè)化。  智能服裝新突破 衣服也能改造成電池