科普專欄 / Information

石墨烯和碳納米管結合創建靈活、可穿戴的超級電容器

一個國際研究小組開發了一種由石墨烯和碳納米管組成的超級電容器,聲稱它足夠靈活到可以被織進衣物裡面,并且其可能強大到足以真正替代用于便攜式設備的電池。這種新型超級電容器的充放電次數能夠超過10000個周期,也有望比目前的電池更輕,充電更快,更穩健。

來自新加坡南洋理工學院、中國.北京.清華大學和俄亥俄州.克利夫蘭.凱斯西儲大學的研究人員通過加熱、鍵合微尺度的石墨烯片和碳納米管形成一個連續、互相連通的絲網來制備超級電容器。報道結果顯示這個複雜的混合纖維如此密集以至于它的電容表面積高達396平方米/克(4262平方英寸)。研究人員說,這使其具有300法拉/立方厘米的電容和6.3微瓦/立方毫米的體積能量密度,這實際上就意味着新開發的超級電容器功率相當于一個4伏、500微安的锂離子薄膜電池。這足以運行許多目前可用的低功率器件以及電子元件,比如發光二極管等。

至今該研究小組在實驗室的連續融合過程中(此過程每小時生産将近1米産物,即3英寸)已經生産出50米(164英寸)長的交織纖維。預計按比例增加,這個制備過程最終可以實現商業規模上大量生産超級電容器纖維,降低其價格并增加其實用性。研究人員說:“這種纖維超級電容器即使在結束數百次循環工作之後,仍然可以連續工作而沒有性能損失。”這種纖維超級電容器可以被連續彎曲變形并仍然保持充電和結構完整性,因此,當這種超級電容器材料在商業上變得可行時,它可能被織進衣服、背包、鞋子和其他物品中來生産一個可穿戴的電力系統。

反過來,這款超級電容器還可以為其他設備供電,如醫療顯示器、GPS設備或任何其他各式各樣的裝備,使我們更加自由地移動。它也可以被織成織物用于為士兵裝備提供能量,或被納入到其他材料形成供電裝置,甚至可以作為電子書閱讀器的封面和電池。

但比這更重要的是,石墨烯和碳納米管超級電容器的低質量、高體積密度可以解決電動汽車的緊迫問題:重量。這款超級電容器的體積隻有蓄電池的一部分,充放電次數可以超過1萬次(充電電池一般不到1千次),因此這種超輕的能量儲存可能就是電機工業所祈禱的答案。再者,利用此超級電容器可彎折的性質,它可以密集地填充在汽車的任意空間,而不用考慮形狀的問題。因此,電動車設計師就可以更自由地設計車輛,無需特意找一塊既大且平的空間來容納電池。

雖然仍然有許多工作要做,但是這種新型材料将會作為固有組件開辟全新的電力存儲設備途徑,而不是作為分離設備的附屬物。這項研究最近發表在《自然》雜志。

來源:石墨烯網

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