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杜克大年夜学和密歇根州立大年夜学的钻研职员设计了一种新型超级电容器,纵然将其拉伸到原本大年夜小的8倍,它仍能充分发挥功能。它不会因反复拉伸而孕育发生任何磨损,在1万次充放电后,其能量机能仅损耗几个百分点。

钻研职员设想的超级电容器是一个电力自力、可伸缩、机动的电子系统的一部分,利用于可穿着电子设备或生物医学设备。

钻研结果颁发在3月19日的《Matter》杂志收集版上。钻研团队包括密歇根州立大年夜学包装、机器工程、电子和谋略机工程助理教授Changyong Cao,以及杜克大年夜学电子和谋略机工程教永乐国际下载网站授、高档作者Jeff Glass。他们的合著者是来自杜克大年夜学的博士生Yihao Zhou和Qiwei Han,钻研科学家Charles Parker,以及来自麻省理工学院的博士生Yunteng Cao。

“我们的目标是开拓出一种立异的设备,能够在拉伸、旋转或弯曲等机器变形的环境下不丢掉机能。” Changyong Cao说,他是密歇根州立大年夜学软机器和电子实验室的主任。“但假如可拉伸电子设备的电源弗成拉伸,那么全部设备系统将被限定为弗成拉伸。”

超级电容器能像电池一样储存能量,但有一些紧张的差别。与经由过程化学反映储存能量并孕育发生电荷的电池不合,静电双层超级电容器(EDLSC)是经由过程电荷分离来储存能量,并且不能自己发电。它必须从外部滥觞充电。在充电历程中,电子在设备的一个部分被建立起来,然后从另一永乐国际下载网站个部分被移除,是以当两边连接起来时,电就会在它们之间快速流动。

与电池不合的是,超级电容器能够在短光阴内开释大年夜量能量,而不是经由过程迟钝的细水长流。它们的充放电速率也比电池快得多,而且比可充电电池的充放电周期更长。这使得永乐国际下载网站它们异常得当于短光阴、高功率的利用,例如在拍照机中设置闪光灯或在立体声音响中设置放大年夜器。

然则大年夜多半超级电容器和电路板上的其他元件一样坚硬易碎。这便是为什么Changyong Cao和Jeff Glass花了几年光阴来钻研可拉伸的版本。

在他们的新论文中,钻研职员展示了他们在这一点上的成果,制造了一个邮票大年夜小的超级电容器,可以携带跨越2伏电压。当4个超级电容连接在一路时,就像许多设备必要AA或AAA电池一样,超级电容可以为2伏卡西欧腕表供电一个半小时。

为了制造可伸缩的超级电永乐国际下载网站容器,Glass和他的钻研团队首先在硅片上莳植永乐国际下载网站了一片碳纳米管林——由数百万纳米管组成,直径只有15纳米,高20-30微米。这大年夜约是最小的细菌的宽度和它感染的动物细胞的高度。

然后,钻研职员在碳纳米管森林的顶部覆盖一层薄薄的金纳米膜。金层就像一种电网络器,将设备的电阻低落一个数量级,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;再将充溢凝胶的电极放松,使预应变开释,让其缩小到原本大年夜小的四分之一。这一历程将薄薄的一层金压碎,并将碳纳米管森林中的“树”压在一路。

“这种弯曲大年夜大年夜增添了在一小块空间内可用的外面积,从而增添了它所能容纳的电荷量。”Glass解释道,“假如我们拥有全天下所有的空间,平坦的外面将可以正常事情。但假如我们想要一个超级电容器,用于真正的设备,那就必要使它尽可能小。”

然后用凝胶电解质添补这块密密麻麻的“森林”,在纳米管外面捕获电子。当着末两个电极夹在一路时,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。

“我们还必要做一些事情来建立一个完备的可伸缩的电子系统。” Changyong Cao说,“在这篇论文中展示的超级电容器还没有达到我们想要的程度。但有了这个强大年夜的可拉伸超级电容器的根基,我们将能够把它集成到一个由可拉伸导线、传感器和探测器组成的系统中,从而创造出完全可拉伸的设备。”

钻研职员解释说,可拉伸的超级电容器自己可以为一些未来的设备供电,或者可以与其他元件相结合来降服工程上的寻衅。例如,超级电容器可以在几秒钟内充电,然后迟钝地给作为设备主要能量滥觞的电池充电。这种措施已被用于混杂动力汽车的再生制动,在混杂动力汽车中,能量孕育发生的速率比储存的速率快。超级电容器前进了全部系统的效率。或者,正如日本已经证实的那样,超级电容器可以为城市通勤的公交车供给动力,在每一站完成一次完全充电所需的光阴很短。

“很多人想把超级电容器和电池连接在一路。”Glass说。“超级电容器充电速率快,可以遭遇数千次以致数百万次的充电,而电池可以储存更多的电量,是以可以应用很长光阴。把它们放在一路不掉为一箭双雕的法子,终究它们在同一个电气系统中有两种不合的功能。”

原文滥觞:https://www.sciencedaily.com/releases/2020/03/200319142441.htm

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