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「可拉伸」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

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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 。


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