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發(fā)布日期:2014.12.19
一種新的結(jié)構(gòu)材料可以將行動裝置的整個外殼變成一個混合式超級電容器/電池，從而取代傳統(tǒng)的電池。跟你的手機電池和充電器說聲再見吧！
位于美國田納西州的范德堡大學(xué)（Vanderbilt University）奈米材料與能源裝置實驗室的研究人員們最近設(shè)計出一種新的混合材料，它結(jié)合了超級電容器和電池的優(yōu)點，十分適于做成這類行動裝置的外殼。雖然目前這種材料的能量密度仍低于鋰離子電池，但更大尺寸的外殼足以彌補能量的不足，而且它還騰出了傳統(tǒng)電池占用的空間。
范德堡大學(xué)教授Cary Pint透露他與該校博士候選人Andrew Westover目前正進行的這項研究，「我們的研究團隊正致力于開發(fā)混合式『電容器－電池』，其表現(xiàn)就像電容器一樣，能夠像超級電容器那樣保持超長的充放電生命周期，而且還能儲存以及提供幾乎相當于目前鋰離子電池的能量?！?/P>
Pint希望這種混合式超級電容器材料可被制造于所有類型的建筑計劃結(jié)構(gòu)中──從房屋的外墻和側(cè)板墻到飛機的底盤。「研究這種技術(shù)的主要目的之一是希望開發(fā)出能夠整合于房屋中的儲能材料，從而提高屋頂太陽能電池的經(jīng)濟價值，并實現(xiàn)分布式電網(wǎng)系統(tǒng)。」
蘋果發(fā)布專利US008730179B2采用了一種光電觸控螢?zāi)?，?jù)稱可以收集足夠的環(huán)境光線，無需電源線就能為采用超級電容器外殼的行動裝置充電。
蘋果公司日前發(fā)布一項可在較小尺寸應(yīng)用中將太陽能電池板嵌入于觸控螢?zāi)坏膶＠ⅰｋm然這項消息的發(fā)布與范德堡大學(xué)的超級電容器無關(guān)，但搭配光電觸控螢?zāi)坏男袆友b置與超級電容器外殼的組合據(jù)稱可以收集足夠的環(huán)境光線，從而為無電源線的行動設(shè)備充電。
Pint表示，「在這類設(shè)備中，其基本原理是相同的，只不過可攜式裝置的尺寸更小罷了。」
然而，無論是哪一種應(yīng)用，其目的基本上都是相同的，也就是說，將結(jié)構(gòu)材料變成仍然具有與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相同承載耐用性的儲能裝置，但該諸能系統(tǒng)的使用壽命還得超過在作為建筑材料時的壽命。
「我認為這項研究工作的一些重要成果是，承載儲能不會影響系統(tǒng)中所用材料的充電儲存能力，而由這個領(lǐng)域還可催生出更多的發(fā)展方向。」
圖中的結(jié)構(gòu)材料實際上是一種能在裝置外殼中儲存能量的超級電容器，而無需額外的電池元件。
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Pint的團隊所開發(fā)的超級電容器目前能夠儲存的能量比鋰離子電池少10倍，但可以用它們作為其中一部份結(jié)構(gòu)的量進行彌補，而且它們的壽命比電池長1，000倍，使其十分適合行動裝置、汽車、飛機與家庭等使用。
「在某些情況下我也不得不站出來說幾句，‘總能量’應(yīng)該是我們最關(guān)心的一個衡量指標。儲存的能量少10倍，放電次數(shù)多1，000倍，這意味著在系統(tǒng)壽命內(nèi)可儲存的能量多100倍。因此這些超級電容器更適合結(jié)構(gòu)性的應(yīng)用。如果每隔幾年就因材料失效而要更換，那么開發(fā)這種材料來蓋房屋、打造汽車底盤或航空飛行器就沒什么意義了。
工作原理
在Pint的原型中，電極是以矽晶圓制造的。晶圓的一邊采用化學(xué)制程處理，內(nèi)面覆蓋著奈米級孔洞。然后在孔洞中沈積超薄的碳層──類似石墨烯。如同電池中的電解液一樣，保留帶電離子的聚合物層接著在滲漏進孔洞之處形成兩個晶圓/電極之間的夾層。在聚合體冷卻和固化后，整個雙晶圓結(jié)構(gòu)就會變得異常穩(wěn)定，能夠有效地防止脫層，Pint指出。
傳統(tǒng)的固態(tài)超級電容器（左）很容易脫層，但范德堡大學(xué)的超級電容器（右）內(nèi)部非常結(jié)實，能夠保持其結(jié)構(gòu)的完整性。
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透過這種方法做成的超級電容器幾分鐘就可能充飽電──電池則要幾個小時才能充飽──而且可以承受每平方英寸高達44磅的應(yīng)力和壓力以及超過80g的振動加速度。雖然展示用的超級電容器是用矽晶打造的，但研究人員計劃進一步改善其承載復(fù)合材料技術(shù)，以適合更具強韌性的應(yīng)用。具體措施是利用輕量級的多孔金屬（如鋁）代替嵌入奈米管的碳復(fù)合材料。
Pint認為，「在任何復(fù)合材料中，無論是用于航空系統(tǒng)還是電子裝置的外殼，最理想的狀態(tài)都是外部保持平滑的功能表面，儲能功能則建構(gòu)在堅固的內(nèi)部材料層中。」
此外，包括范德堡大學(xué)教授Amrutur Anilkumar、博士后助理Shahana Chatterjee、博士候選人Landon Oakes，以及主修機械工程系的大學(xué)生John Tian、Shivaprem Bernath和Farhan Nur Shabab，當?shù)馗咧猩鶵ob Edwards，均對這項研究有所貢獻。
奈米級多孔表面性能可實現(xiàn)高效率的電荷儲存，而多孔材料仍使電氣和機械上保持與底部看得見的大塊電極連接。
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美國能源部（DoE）的先進能源研究計劃署（ARPA-E）在專注于將能量儲存整合于結(jié)構(gòu)材料的研究方面已經(jīng)投資870萬美元。獲得能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室支持的美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）奈米相位材料科學(xué)中心協(xié)助提供這類材料的制造。范德堡大學(xué)的資金則由美國國家科學(xué)基金會（NSF）提供。
