我的衣服会充电:超级电容器的新跨越
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近日，新加坡南洋理工大学（NTU）、中国清华大学和美国凯斯西储大学的联合团队开发出一种像纤维一样的柔性微型超级电容器，可织成衣服作为穿戴式医疗监控、通讯设备或其他小型电子产品的电源，该研究成果已在《自然纳米技术》上。
电池家族添新锐“堂弟”
伴随着新能源技术发展的日新月异，锂电池、燃料电池等相关产品技术备受关注，而同样作为储能装置的超级电容器或许还未被大众所熟知。它可以被称为超级电容器，犹如电池家族中的“堂带”，因具有充电时问短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，得到了业内人士的普遍认可，且行业增长迅速。
此次，科研团队研制的超级电容器是基于碳的微型电容器，它囊括的石墨烯和碳纳米管的互联网络十分紧致，其存储的能量相比一些薄膜锂电池更具优势。该装置具有保持充电和释放能量比电池快得多的优点。这种纤维结构的杂化材料提供了巨大可接触的表面区域，并高度导电。目前，此款超级电容器的存储能量可达到每立方米6.3微瓦特每小时，是同一体积的微型超级电容器的最高值。也就是说对于一只亏电的苹果手机来说，充满电仅需两三分钟的时间。
该纤维还能够以十字交义的方式织成服装，作成在智能纺织品方面的可穿戴设备。例如，这样的衣服可以为家里携带生物医学监控仪器的病人供电，可提供信息给远在医院的医生。织入制服像电池般的超级电容器可为显示器或通信的晶体管提供电源。
研究人员说，这种纤维可能是一个节省空间的电源，作为医疗植入物的“能量运送导线”，可为在家的病人或老人供电给医疗检测设备，或在野外为士兵使用通信设备提供电源。
此外，研究人员还饶有兴趣地测试了这些纤维的多功能应用，包括电池、太阳能电池、生物燃料电池及可灵活、穿戴式光电系统的传感器。研究人员说：“我们已经开辟了许多可能性，未来仍然有很多事情要做。”
鱼与熊掌如何兼得
制作这种高性能微型超级电容器的技术瓶颈是，大多数超级电容器具有高功率密度但低能量密度，意味着它们可以快速充电和大大提升电力，但不会持续很长时间。相反，电池具有高能量密度和低功率密度，意味着其可以持续很长时间，但不会快速输送大量的能量。而电动车的微电子受益于能够提供高功率和高能量密度的储能装置。这就是为什么研究人员正在开发一种可以兼顾两方面优点的装置。
要继续小型化电子产品，行业内需要开发具有大体积能量密度的微小能量存储设备。而与电池相比，大量的超级电容器可能有类似的能量储存，或能量密度。但是，因为它们需要大量的可接触的表面积储存能量，其体积能量密度总是滞后不堪。
那么鱼与熊掌到底该如何兼得呢？科学家是永远不会放弃探索的人，通过无数的实验验证，他们设计出了混合纤维以提高体积能量密度。利用含有氧化过的酸性单层碳纳米管、氧化石墨烯和亚乙基二胺促进合成氮给石墨烯涂层，通过柔性狭窄增强管即毛细管柱泵送，在烘箱中加热6个小时。
石墨烯片中，只有几个原子厚并且排列成一条线的碳纳米管自组装成运行纤维长度的多孔互联网络。如此安排提供了大量可接触的表面积，每克混杂纤维达396平方米，用于电荷的运输和储存。而这些材料被紧紧地包含在毛细管柱里，以便可将其抽取出来，形成高体积能量密度。这种使用多个毛细管柱的过程，可使制造出的纤维连续不断，并保持一贯的品质。
经得起考验的质地
每日科学网日前报道称，研究人员已经开发出一种连续生产这种弹性纤维的方式，使其能够扩大生产以满足应用需求。到目前为止，已经制作出50米长的纤维，每立方厘米具有300法拉的高容量。
在测试中，研究人员发现三对串联排列的纤维具有三倍的电压，同时可保持相同的充电/放电时间。与相同电流密度操作的单纤维相比，三对平行的纤维是在输出电流和充电/放电时间方面具有三倍的效力。当把它们在两个电极之间集成多个成对的纤维，其存储电能的能力即电容，可根据所使用纤维的数量呈线性增加。
使用聚乙烯醇/磷酸凝胶作为电解质，固态微型超级电容器由一对光纤制造可提供每立方毫米6.3微瓦小时的体积密度，可与4伏特500微安小时的薄膜锂电池媲美。纤维超级电容器表现出超高能量密度值，同时保持了高功率密度和循环稳定性。
研宄人员说：“我们测试了这种光纤设备上万次的充电/放电周期，其保留了原有的性能约93%，而传统的充电电池寿命小于千次周期。”
该小组还测试了这个设备的柔性能量存储，对其不断进行恒定的机械应力，最后对其性能的评价是：纤维超级电容器可持续无性能损失地工作，甚至在弯曲数百次之后，它们仍能保持灵活性，并在结构上长度保持一致。
应用的N种可能
超级电容器的应用范围除了常见的在停电时作为备用电源、用于企业级SSD、服务器等需要数据备份的设备中之外，还拥有广阔的应用前景。例如在带有LED闪光灯的相机，或者马达驱动等需要瞬间释放大电流放电的设备中，超级电容器作为峰值输出辅助装置，具有较高的功率密度，不仅可实现大电流放电，而且其超低的ESR几乎可以忽略放电瞬间的电压降影响，即便是在低温的情况下，内阻也不会像普通电池那样大幅上升。
其次，在那些具有Wi-Fi或GPRS等无线通信功能、或需要长时间存储数据、要求延长电池寿命的便携式设备中，通常对于漏电流和小型化封装都有较高的要求。超级电容器具有微安级别的超低漏电流，及最薄3 2毫米的紧凑型封装，是这类设备的理想选择。另外，在备受关注的便携式医疗设备领域，小型化、薄型化的层压式超级电容器也将会大有用武之地。
市场调研公司IDTechEx的主席PeterHarrop博士认为：“超级电容器不需要全部达到锂离子电池的能量密度来秤噬电池市场。也许电池市场的百分之一已经被取代，因为这百分之一的能量密度持续时间更长，而且安全，还有10倍的功率密度。在中国的一些公交车上，超级电容器已经取代了锂离了电池，但因前期价格高昂，超级电容器的销量比锂离予电池低3%。”
他预计未来十年，超级电容器的销量将比锂离子电池高出lO%，尽管锂离子电池的能量密度能有所改善，还是无法阻挡超级电容器的侵吞。为此，超级电容器的能量密度必须达到约40瓦时每千克，其他参数也可与之适酣，甚至功率密度和生命周期也要更环保。如果确实能达到上述目标，那么毫无疑问，今后十年超级电容器的能量密度预计可达到约lOO瓦时每千克，超级电容器或超电容电池将侵吞锂离了电池50%的市场份额，年收益也将达数十亿美元。
目前，研宄人员正在降低成本以大批量生产这种柔软纤维的超级电容器，旨在促使这种高性能的微型超级电容器商业化。