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      麻省理工開(kāi)發(fā)出鈮納米線(xiàn)超級電容

      發(fā)布日期:2016-08-11 13:36:42 點(diǎn)擊數:1967

        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,這些設備的電池容量和待機時(shí)間都十分有限。

        日前,美國麻省理工學(xué)院和加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出的一種柔性超級電容,或許能讓這種狀況成為歷史,為智能手表和可穿戴設備來(lái)帶一個(gè)更具想象空間的未來(lái)。發(fā)表在《ACS應用材料與界面》雜志上的相關(guān)論文對此進(jìn)行了大膽預測。

        神奇化學(xué)元素鈮

        這種方法的核心是一種用鈮納米線(xiàn)制成的高性能超級電容。支持的設備種類(lèi)包括智能手表、心率傳感器、電腦以及智能手機等。此外,這種大功率、小體積的設備還有望在微型自主機器人上獲得應用。

        鈮是一種具備良好超導性能的金屬元素,在地球上儲量豐富。在多種具備超導性能的元素中,鈮是臨界溫度最高的一種。

        因其獨特的電氣性能,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(cháng)的特點(diǎn)。目前已經(jīng)在計算機、雷達、導彈、飛機的電路中大量使用。

        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,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電容的材料。當前最為熱門(mén)的材料非碳納米管和石墨烯莫屬,但科學(xué)家們對其導電率仍不滿(mǎn)意。
        在這項研究中,由麻省理工學(xué)院機械工程學(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,最終選定了鈮納米線(xiàn)。麥瓦克力和他的同事通過(guò)實(shí)驗證明,高能量密度并非碳納米材料所獨有,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(xiàn)制成的紗線(xiàn)來(lái)制造超級電容。單根鈮納米線(xiàn)的直徑僅為140納米,相當于人類(lèi)發(fā)絲直徑的千分之一。

        與碳納米材料相比,新材料具有許多獨到的優(yōu)勢。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(mǎn)足制造可穿戴設備的需要;其次,與碳納米材料相比,鈮納米線(xiàn)強度更好,導電率也比這些材料高100倍以上。此外,鈮還具有高達2500攝氏度的熔點(diǎn),這使由它制成的超級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)對比,在同樣的體積內,鈮基超級電容器能夠存儲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(xiàn)超級電容的成本也會(huì )比較便宜。

        可穿戴設備福音

        研究人員稱(chēng),對于體積小巧的智能設備和可穿戴設備而言,要大幅提升續航時(shí)間,一個(gè)選擇是采用電池和超級電容的組合。這樣的組合將讓便攜設備的設計更加輕松。由于新的納米線(xiàn)超級電容在性能上遠超目前的電池,而且占用的體積極少,有望顯著(zhù)減少設備的尺寸。

        麥瓦克力說(shuō):“在可穿戴設備領(lǐng)域,消費者對產(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?!?br />
        這種改變在小型設備中的價(jià)值尤為突出。亨特說(shuō):“目前的電池有不少問(wèn)題,要么存儲效率比較低下,要么在小尺寸下太過(guò)復雜。我們的技術(shù)剛好站在體積和電能的平衡點(diǎn)上,能在較小的體積內存儲較大的電能?!?br />
        澳大利亞臥龍崗大學(xué)工程學(xué)教授杰夫斯·平克斯說(shuō),對未來(lái)的智能面料和可穿戴技術(shù)而言,這項工作意義非凡。這項研究具有很強的說(shuō)服力,足以讓人認識到鈮基纖維超級電容器驚人的表現。

        到目前為止,這種材料只能在實(shí)驗室小規模生產(chǎn)。研究人員稱(chēng),目前他們已經(jīng)開(kāi)始嘗試制造出一種更加實(shí)用、更易于大規模生產(chǎn)的版本。相信在不遠的將來(lái),小小的鈮納米線(xiàn),必將讓可穿戴設備綻放出新的光彩。


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