杜克大學(xué)和密歇根州立大學(xué)的研究人員已經(jīng)設(shè)計出一種新型超級電容器，即使被拉伸到原來大小的8倍時，它仍然能夠完全發(fā)揮功能。而且它不會因反復(fù)拉伸而出現(xiàn)任何磨損，在10000次充放電循環(huán)后僅損失幾個百分點的容量。研究人員認(rèn)為，這種超級電容器將成為一種獨立于電源且可伸縮的電子系統(tǒng)的一部分，應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備或生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域。

該研究結(jié)果發(fā)表在3月19日的《Matter》雜志上。研究團(tuán)隊包括密歇根州立大學(xué)機械工程、電氣和計算機工程助理教授曹長勇和杜克大學(xué)電氣和計算機工程教授杰夫·格拉斯。他們的合著者是杜克大學(xué)的博士生查爾斯·帕克以及麻省理工學(xué)院的博士生曹云騰。

密歇根州立大學(xué)軟機器與電子實驗室主任曹長勇說道：“我們的目標(biāo)是開發(fā)能夠在拉伸、扭轉(zhuǎn)或彎曲等機械變形中不失去性能的創(chuàng)新設(shè)備。如果可伸縮電子設(shè)備的電源不能伸縮，那么整個設(shè)備系統(tǒng)也將被限制為不能伸縮。”。

超級電容器能夠像電池一樣儲存能量，但有所不同。電池以化學(xué)方式儲存能量并通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電荷，而超級電容器則不同，它通過電荷分離儲存能量，無法自己產(chǎn)生電能，必須通過外部來源充電。與電池不同的是，超級電容器能夠在短時間內(nèi)釋放出大量能量，其充放電速度比電池快得多，而且比蓄電池能承受更多的充放電循環(huán)。

超級電容器以其出色的功率密度而聞名，與化學(xué)電池相比，其能快速充電和放電大量能量，并且具有比化學(xué)電池更長的壽命，而化學(xué)電池通常具有存儲更多能量的優(yōu)勢。

但是大多數(shù)超級電容器和電路板上的其他元件一樣堅硬易碎，因此曹長勇花了數(shù)年的時間研究這個可伸縮的版本。

在他們的新論文中，研究人員展示了其工作成果，他們制造了一個郵票大小的超級電容器，可以提供兩伏特的電壓。將四個超級電容器連接在一起時，它們可以為一個2伏的卡西歐手表供電一個半小時。

為了制造這種可伸縮的超級電容器，格拉斯和他的研究團(tuán)隊首先在硅晶片上生長出一個碳納米管森林（數(shù)百萬納米管），這些納米管的直徑只有15納米，高20到30微米。然后，研究人員在碳納米管森林的頂部涂上一層薄薄的金納米薄膜。這個金層就像一個電子收集器，使得這個裝置的電阻比以前的版本降低了一百萬數(shù)量級，使得這個裝置能夠更快地充電和放電。

然后，格拉斯將剩下的工程交給曹長勇，曹長勇將碳納米管森林轉(zhuǎn)移到預(yù)拉伸彈性體基底上，金面朝下。然后使預(yù)應(yīng)變釋放，使其收縮到原來尺寸的四分之一。這一過程將這層薄薄的黃金揉成一團(tuán)，將碳納米管森林中的“樹木”匯聚在一起。格拉斯解釋說道：“褶皺極大地增加了在小空間內(nèi)可用的表面積，從而增加了它所能承載的電荷量。如果我們有足夠大的空間，一個平坦的表面就可以了。但是，如果我們想要一個可以真正用在設(shè)備上的超級電容器，我們就需要盡可能地把它做得更小?！薄?/p>

曹長勇說道：“為了建立一個完整的可伸縮的電子系統(tǒng)，我們還有一些工作要做。這篇論文中展示的超級電容器還沒有達(dá)到我們預(yù)期的效果。但是有了這個基礎(chǔ)，我們將能夠把它集成到一個由可伸縮電線、傳感器和探測器組成的系統(tǒng)中，從而創(chuàng)造出完全可伸縮的設(shè)備?！薄?/p>

研究人員解釋說，可拉伸的超級電容器自己可以為一些未來的設(shè)備供電，或者可以與其他元件相結(jié)合來克服工程上的挑戰(zhàn)。例如，超級電容器可以在幾秒鐘內(nèi)充電，然后緩慢地給作為設(shè)備主要能量來源的電池充電。這種方法已被用于混合動力汽車的再生制動，在混合動力汽車中，能量產(chǎn)生的速度比儲存的速度快。超級電容器提高了整個系統(tǒng)的效率?；蛘?，正如日本已經(jīng)證明的那樣，超級電容器可以為城市通勤的公交車提供動力，在每一站完成一次完全充電所需的時間很短。

“很多人想把超級電容器和電池連接在一起。”Glass說?！俺夒娙萜鞒潆娝俣瓤?，可以承受數(shù)千次甚至數(shù)百萬次的充電，而電池可以儲存更多的電量，因此可以使用很長時間。把它們放在一起不失為兩全其美的辦法，畢竟它們在同一個電氣系統(tǒng)中有兩種不同的功能。”

可實時修復(fù)的伸縮型超級電容器

合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授從懷萍課題組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書宏研究團(tuán)隊合作，通過一體化器件構(gòu)型設(shè)計，成功研發(fā)了新型超級可伸縮電容器，在國際上首次實現(xiàn)充放電過程中的實時自修復(fù)，為研發(fā)智能柔性能源存儲器件提供了新途徑。

目前的可伸縮超級電容器機械形變能力有限，且電極層與電解質(zhì)層間易產(chǎn)生錯位。針對這一難題，科研人員創(chuàng)新性地在單體引發(fā)聚合過程中引入動態(tài)金屬配位鍵，成功研發(fā)了具有優(yōu)異伸縮性能和光學(xué)、電學(xué)多重刺激響應(yīng)修復(fù)性能的納米復(fù)合水凝膠電極和電解質(zhì)。通過進(jìn)一步在凝膠電極上化學(xué)焊接銀納米線薄膜作為集流體，該團(tuán)隊實現(xiàn)了利用各層間豐富的金屬—硫配位作用，化學(xué)鍵合構(gòu)筑具有整體構(gòu)型的超級電容器。

基于電容器各組分層的微結(jié)構(gòu)和界面作用力優(yōu)化以及整體化器件構(gòu)型設(shè)計，這一新型超級電容器具有卓越的柔性和可修復(fù)性能。實驗結(jié)果表明，新型電容器的面電容值高達(dá)885 mF/cm2，拉伸應(yīng)變可達(dá)原長的8倍。同時，基于電極和電解質(zhì)優(yōu)異的本征彈性和自修復(fù)性能以及一體化器件構(gòu)型設(shè)計，該電容器具備快速的光自修復(fù)能力和高效的電學(xué)實時自修復(fù)能力。

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