導(dǎo)讀

近日，新加坡南洋理工大學(xué)（NTU Singapore）的科學(xué)家設(shè)計(jì)出一種織物般的電源，它經(jīng)過(guò)剪切、折疊或者拉伸后并不會(huì)喪失功能。

背景

超級(jí)電容是一種高效實(shí)用的新型儲(chǔ)能器件。其作用與電池相似，但它可以快速充電，幾秒鐘之內(nèi)就可以完全充滿(mǎn)電，也可以反復(fù)充電很多次。超級(jí)電容具有充電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、存儲(chǔ)電能多、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。它適用于任何需要快速充放電循環(huán)的應(yīng)用領(lǐng)域。未來(lái)，它的市場(chǎng)前景非常廣闊，將在電動(dòng)汽車(chē)、大功率輸出設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備等領(lǐng)域大顯身手。

然而，在可穿戴技術(shù)和智能織物領(lǐng)域，超級(jí)電容也扮演著重要角色。筆者曾介紹過(guò)，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)開(kāi)發(fā)出的一種固態(tài)柔性超級(jí)電容器件?？茖W(xué)家通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)，采用導(dǎo)電石墨烯氧化物油墨，直接將它打印在紡織品例如棉織物上。該超級(jí)電容器件的優(yōu)勢(shì)包括：機(jī)械柔韌性好、能量與功率密度高、運(yùn)行安全性高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、成本低。

（圖片來(lái)源：曼徹斯特大學(xué)）

此外，超級(jí)電容還有助于實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的自供電。所謂自供電，是指無(wú)需電池，從外部環(huán)境中采集熱能、機(jī)械能、輻射能、化學(xué)能等形式的能量，為電子設(shè)備提供電力。美國(guó)得克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校（UTD）和韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出最新的高科技紗線(xiàn)“Twistron”，它可以在自身被拉伸或者扭轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生電能。這種紗線(xiàn)由碳納米管構(gòu)成，本質(zhì)上是一種超級(jí)電容。研究人員稱(chēng)，當(dāng)將這種碳納米管紗線(xiàn)浸入電解液時(shí)，紗線(xiàn)可以通過(guò)電解液本身來(lái)充電，不需要外加電源或者外加偏壓實(shí)現(xiàn)。

（圖片來(lái)源：UTD）

創(chuàng)新

今天，筆者將要介紹的創(chuàng)新成果也是一種超級(jí)電容。此外，它也是智能織物和自供電技術(shù)交叉融合的典型案例之一。

近日，新加坡南洋理工大學(xué)（NTU Singapore）的科學(xué)家設(shè)計(jì)出一種織物般的電源，它經(jīng)過(guò)剪切、折疊或者拉伸后并不會(huì)喪失功能。

（圖片來(lái)源：新加坡南洋理工大學(xué)）

研究團(tuán)隊(duì)由材料科學(xué)與工程學(xué)院的副主席 Chen Xiaodong 教授領(lǐng)導(dǎo)，新加坡 A*STAR 材料研究和工程研究所（IMRE）軟材料部門(mén)的負(fù)責(zé)人、高級(jí)科學(xué)家 Loh Xian Jun 博士也參與了合作研究。團(tuán)隊(duì)的相關(guān)論文發(fā)表于《高級(jí)材料》（Advanced Materials ）1月8日的印刷版上。在論文中，研究人員報(bào)告了他們是如何設(shè)計(jì)出這種可穿戴的電源（一種超級(jí)電容）的。另外，團(tuán)隊(duì)也已經(jīng)為這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了專(zhuān)利。

技術(shù)

關(guān)鍵一點(diǎn)是，研究人員已經(jīng)將超級(jí)電容制作成為可定制或者“可編輯”的，這意味著在制造成功后，其結(jié)構(gòu)和形狀可以發(fā)生改變，并且還可以保持作為電源的功能。

（圖片來(lái)源：新加坡南洋理工大學(xué)）

（圖片來(lái)源：新加坡南洋理工大學(xué)）

（圖片來(lái)源：新加坡南洋理工大學(xué)）

現(xiàn)有可拉伸的超級(jí)電容都采用預(yù)先設(shè)定的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)中，但是這項(xiàng)新發(fā)明卻可以拉伸到多個(gè)方向，且當(dāng)它連接到其他電子器件時(shí)，不容易發(fā)生匹配錯(cuò)誤。下圖展示了傳統(tǒng)超級(jí)電容和這種可編輯的超級(jí)電容在制造方法上的區(qū)別。

（圖片來(lái)源：新加坡南洋理工大學(xué)）

當(dāng)這種新型電容編輯成一種蜂窩狀結(jié)構(gòu)時(shí)，存儲(chǔ)的電荷可比大多數(shù)現(xiàn)有的可拉伸超級(jí)電容高4倍。此外，當(dāng)它拉伸到原始長(zhǎng)度4倍時(shí)，即使在1萬(wàn)次拉伸和放松循環(huán)之后，仍可以保持近98%的初始能力用于存儲(chǔ)電能。

Chen 教授及其團(tuán)隊(duì)完成的實(shí)驗(yàn)也顯示，當(dāng)可編輯的超級(jí)電容與傳感器配對(duì)并放置到人類(lèi)肘部的時(shí)候，它比現(xiàn)有的可拉伸超級(jí)電容性能更好。即使是在手臂揮舞的時(shí)候，這種可編輯的超級(jí)電容也能提供穩(wěn)定的信號(hào)流，然后這些信號(hào)會(huì)被無(wú)線(xiàn)傳輸至外部設(shè)備。例如，這些信號(hào)可能是代表病人的心率。

這種可編輯的超級(jí)電容是由強(qiáng)化的二氧化錳納米線(xiàn)合成材料制成。二氧化錳是一種用于超級(jí)電容的普通材料，這種超長(zhǎng)納米線(xiàn)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了碳納米管網(wǎng)絡(luò)和納米纖維素纖維，讓電極在定制過(guò)程中可以承受相應(yīng)的應(yīng)力。

作者相信這種可編輯的超級(jí)電容非常容易量產(chǎn)，因?yàn)樗蕾?lài)現(xiàn)有的制造技術(shù)。因此，生產(chǎn)成本也較低，估計(jì)約0.13新加坡元（0.10美元）可以生產(chǎn)1平方厘米的這種材料。

價(jià)值

Chen 教授表示：“一種可靠并可編輯的超級(jí)電容對(duì)于可穿戴電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來(lái)說(shuō)非常重要。當(dāng)可穿戴電子器件能夠可靠地給自身供電，并可以與家和其他環(huán)境中的設(shè)備進(jìn)行連接和通信時(shí)，它也為‘物聯(lián)網(wǎng)’領(lǐng)域打開(kāi)了各種可能性?！?br>

“我自己的夢(mèng)想是有一天將我們的柔性超級(jí)電容與用于健康和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)診斷的可穿戴傳感器相結(jié)合。通過(guò)可穿戴電子器件的自供電能力，你可以想象有一天，我們可以創(chuàng)造出用于在比賽期間檢測(cè)馬拉松賽跑運(yùn)動(dòng)員疲勞狀態(tài)的設(shè)備，它具有很高的靈敏度并能檢測(cè)一般勞累和過(guò)度勞累的信號(hào)。

Loh 博士表示：“這些互聯(lián)的、織物般的電源可定制并具有多功能，能夠提供即插即用的功能，并保持良好的性能。這些柔性電源是高度可拉伸的，是非常有前途的下一代‘織物’能量存儲(chǔ)器件，這些器件將集成到可穿戴電子設(shè)備中?！?/span>

關(guān)鍵字

可穿戴技術(shù)、智能織物、自供電、超級(jí)電容、物聯(lián)網(wǎng)

參考資料

【1】http://news./pages/newsdetail.aspx?URL=http://news./news/Pages/NR2018_Jan30.aspx&Guid=2e31380c-7056-424a-9452-3d27fdf3d687&Category=News+Releases

【2】Zhisheng Lv, Yifei Luo, Yuxin Tang, Jiaqi Wei, Zhiqiang Zhu, Xinran Zhou, Wenlong Li, Yi Zeng, Wei Zhang, Yanyan Zhang, Dianpeng Qi, Shaowu Pan, Xian Jun Loh, Xiaodong Chen. Editable Supercapacitors with Customizable Stretchability Based on Mechanically Strengthened Ultralong MnO2 Nanowire Composite. Advanced Materials, 2018; 30 (2): 1704531 DOI: 10.1002/adma.201704531