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| 麻省理工開(kāi)發(fā)出鈮納米線超級(jí)電容 |
| 發(fā)布時(shí)間：2015/9/16 點(diǎn)擊次數(shù)：6355 |
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時(shí)下隨處可見(jiàn)的智能手表和健身手環(huán)已成為一種時(shí)尚配件，讓不少人愛(ài)不釋手。但受制于尺寸，這些設(shè)備的電池容量和待機(jī)時(shí)間都十分有限。
日前，美國(guó)麻省理工學(xué)院和加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出的一種柔性超級(jí)電容，或許能讓這種狀況成為歷史，為智能手表和可穿戴設(shè)備來(lái)帶一個(gè)更具想象空間的未來(lái)。發(fā)表在《ACS應(yīng)用材料與界面》雜志上的相關(guān)論文對(duì)此進(jìn)行了大膽預(yù)測(cè)。
神奇化學(xué)元素鈮
這種方法的核心是一種用鈮納米線制成的高性能超級(jí)電容。支持的設(shè)備種類(lèi)包括智能手表、心率傳感器、電腦以及智能手機(jī)等。此外，這種大功率、小體積的設(shè)備還有望在微型自主機(jī)器人上獲得應(yīng)用。
鈮是一種具備良好超導(dǎo)性能的金屬元素，在地球上儲(chǔ)量豐富。在多種具備超導(dǎo)性能的元素中，鈮是臨界溫度最高的一種。
因其獨(dú)特的電氣性能，鈮常被用來(lái)制造電容。鈮電容與同體積的其他電容相比，具有容量更大、工作溫度范圍更寬、使用壽命更長(zhǎng)的特點(diǎn)。目前已經(jīng)在計(jì)算機(jī)、雷達(dá)、導(dǎo)彈、飛機(jī)的電路中大量使用。
此外，這種材料還具備極好的抗腐蝕性和生物相容性，不會(huì)與人體里的各種液體物質(zhì)發(fā)生作用，不僅能用來(lái)制造醫(yī)療器械，還能用來(lái)縫合神經(jīng)，甚至一些鈮材料還能代替受損的骨頭和關(guān)節(jié)，就算是被植入人體也沒(méi)有任何問(wèn)題。
碳納米材料勁敵
過(guò)去十年，科學(xué)家一直都在努力尋找能夠制造高性能超級(jí)電容的材料。當(dāng)前最為熱門(mén)的材料非碳納米管和石墨烯莫屬，但科學(xué)家們對(duì)其導(dǎo)電率仍不滿意。
在這項(xiàng)研究中，由麻省理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)教授伊恩·W·亨特、博士生賽義德·M·麥瓦克力和加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)的三位研究人員組成的研究小組，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，最終選定了鈮納米線。麥瓦克力和他的同事通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，高能量密度并非碳納米材料所獨(dú)有，鈮納米材料或許是一種更好的選擇。
新研究采用了一種用鈮納米線制成的紗線來(lái)制造超級(jí)電容。單根鈮納米線的直徑僅為140納米，相當(dāng)于人類(lèi)發(fā)絲直徑的千分之一。
與碳納米材料相比，新材料具有許多獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。首先，這種材料是高度柔性的，能被編織成織物，做成各種形狀，能更好地滿足制造可穿戴設(shè)備的需要；其次，與碳納米材料相比，鈮納米線強(qiáng)度更好，導(dǎo)電率也比這些材料高100倍以上。此外，鈮還具有高達(dá)2500攝氏度的熔點(diǎn)，這使由它制成的超級(jí)電容完全能夠用于各種苛刻的高溫環(huán)境，并具備極好的使用壽命。經(jīng)過(guò)對(duì)比，在同樣的體積內(nèi)，鈮基超級(jí)電容器能夠存儲(chǔ)比碳那納米管材料多5倍的電能。更具吸引力的一點(diǎn)是，由于在自然界中的含量較為豐富，鈮納米線超級(jí)電容的成本也會(huì)比較便宜。
可穿戴設(shè)備福音
研究人員稱，對(duì)于體積小巧的智能設(shè)備和可穿戴設(shè)備而言，要大幅提升續(xù)航時(shí)間，一個(gè)選擇是采用電池和超級(jí)電容的組合。這樣的組合將讓便攜設(shè)備的設(shè)計(jì)更加輕松。由于新的納米線超級(jí)電容在性能上遠(yuǎn)超目前的電池，而且占用的體積極少，有望顯著減少設(shè)備的尺寸。
麥瓦克力說(shuō)：“在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的尺寸特別敏感。如果你有一個(gè)蘋(píng)果手表，重量減少30%你或許感覺(jué)不會(huì)特別明顯。但如果變薄30%將能給你帶來(lái)完全不同的感受。”
這種改變?cè)谛⌒驮O(shè)備中的價(jià)值尤為突出。亨特說(shuō)：“目前的電池有不少問(wèn)題，要么存儲(chǔ)效率比較低下，要么在小尺寸下太過(guò)復(fù)雜。我們的技術(shù)剛好站在體積和電能的平衡點(diǎn)上，能在較小的體積內(nèi)存儲(chǔ)較大的電能。”
澳大利亞臥龍崗大學(xué)工程學(xué)教授杰夫斯·平克斯說(shuō)，對(duì)未來(lái)的智能面料和可穿戴技術(shù)而言，這項(xiàng)工作意義非凡。這項(xiàng)研究具有很強(qiáng)的說(shuō)服力，足以讓人認(rèn)識(shí)到鈮基纖維超級(jí)電容器驚人的表現(xiàn)。
到目前為止，這種材料只能在實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模生產(chǎn)。研究人員稱，目前他們已經(jīng)開(kāi)始嘗試制造出一種更加實(shí)用、更易于大規(guī)模生產(chǎn)的版本。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，小小的鈮納米線，必將讓可穿戴設(shè)備綻放出新的光彩。 |
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