超級電容器新突破：手機外殼可望取代電池

　　跟你的手機電池和充電器說(shuō)聲再見(jiàn)吧!一種新的結構材料可以將行動(dòng)裝置的整個(gè)外殼變成一個(gè)混合式超級電容器/電池，從而取代傳統的電池。

　　位于美國田納西州的范德堡大學(xué)(VanderbiltUniversity)奈米材料與能源裝置實(shí)驗室的研究人員們最近設計出一種新的混合材料，它結合了超級電容器和電池的優(yōu)點(diǎn)，十分適于做成這類(lèi)行動(dòng)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電池占用的空間。

　　范德堡大學(xué)教授CaryPint透露他與該校博士候選人AndrewWestover目前正進(jìn)行的這項研究，“我們的研究團隊正致力于開(kāi)發(fā)混合式‘電容器-電池’，其表現就像電容器一樣，能夠像超級電容器那樣保持超長(cháng)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。”

　　Pint希望這種混合式超級電容器材料可被制造于所有類(lèi)型的建筑計劃結構中──從房屋的外墻和側板墻到飛機的底盤(pán)。“研究這種技術(shù)的主要目的之一是希望開(kāi)發(fā)出能夠整合于房屋中的儲能材料，從而提高屋頂太陽(yáng)能電池的經(jīng)濟價(jià)值，并實(shí)現分布式電網(wǎng)系統。”

　　蘋(píng)果發(fā)布專(zhuān)利US008730179B2采用了一種光電觸控螢幕，據稱(chēng)可以收集足夠的環(huán)境光線(xiàn)，無(wú)需電源線(xiàn)就能為采用超級電容器外殼的行動(dòng)裝置充電。

　　蘋(píng)果公司日前發(fā)布一項可在較小尺寸應用中將太陽(yáng)能電池板嵌入于觸控螢幕的專(zhuān)利消息。雖然這項消息的發(fā)布與范德堡大學(xué)的超級電容器無(wú)關(guān)，但搭配光電觸控螢幕的行動(dòng)裝置與超級電容器外殼的組合據稱(chēng)可以收集足夠的環(huán)境光線(xiàn)，從而為無(wú)電源線(xiàn)的行動(dòng)設備充電。

　　Pint表示：“在這類(lèi)設備中，其基本原理是相同的，只不過(guò)可攜式裝置的尺寸更小罷了。”

　　然而，無(wú)論是哪一種應用，其目的基本上都是相同的，也就是說(shuō)，將結構材料變成仍然具有與傳統結構材料相同承載耐用性的儲能裝置，但該諸能系統的使用壽命還得超過(guò)在作為建筑材料時(shí)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(huì )影響系統中所用材料的充電儲存能力，而由這個(gè)領(lǐng)域還可催生出更多的發(fā)展方向。”

　　圖中的結構材料實(shí)際上是一種能在裝置外殼中儲存能量的超級電容器，而無(wú)需額外的電池元件。

　　Pint的團隊所開(kāi)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構的量進(jìn)行彌補，而且它們的壽命比電池長(cháng)1,000倍，使其十分適合行動(dòng)裝置、汽車(chē)、飛機與家庭等使用。

　　“在某些情況下我也不得不站出來(lái)說(shuō)幾句，‘總能量’應該是我們最關(guān)心的一個(gè)衡量指標。儲存的能量少10倍，放電次數多1,000倍，這意味著(zhù)在系統壽命內可儲存的能量多100倍。因此這些超級電容器更適合結構性的應用。如果每隔幾年就因材料失效而要更換，那么開(kāi)發(fā)這種材料來(lái)蓋房屋、打造汽車(chē)底盤(pán)或航空飛行器就沒(méi)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，內面覆蓋著(zhù)奈米級孔洞。然后在孔洞中沈積超薄的碳層──類(lèi)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(zhù)在滲漏進(jìn)孔洞之處形成兩個(gè)晶圓/電極之間的夾層。在聚合體冷卻和固化后，整個(gè)雙晶圓結構就會(huì )變得異常穩定，能夠有效地防止脫層，Pint指出。

　　傳統的固態(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)內部非常結實(shí)，能夠保持其結構的完整性。

　　透過(guò)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(gè)小時(shí)才能充飽──而且可以承受每平方英寸高達44磅的應力和壓力以及超過(guò)80g的振動(dòng)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(jìn)一步改善其承載復合材料技術(shù)，以適合更具強韌性的應用。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合材料。

　　Pint認為，「在任何復合材料中，無(wú)論是用于航空系統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，儲能功能則建構在堅固的內部材料層中?！?/p>

　　此外，包括范德堡大學(xué)教授A(yíng)mruturAnilkumar、博士后助理ShahanaChatterjee、博士候選人LandonOakes，以及主修機械工程系的大學(xué)生JohnTian、ShivapremBernath和FarhanNurShabab，當地高中生RobEdwards，均對這項研究有所貢獻。

　　奈米級多孔表面性能可實(shí)現高效率的電荷儲存，而多孔材料仍使電氣和機械上保持與底部看得見(jiàn)的大塊電極連接。