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      麻省理工開發出鈮納米線超級電容

      發布日期:2016-08-11 13:36:42 點擊數:1873

        時下隨處可見的智能手表和健身手環已成為一種時尚配件,讓不少人愛不釋手。但受制于尺寸,這些設備的電池容量和待機時間都十分有限。

        日前,美國麻省理工學院和加拿大英屬哥倫比亞大學的研究人員開發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帶一個更具想象空間的未來。發表在《ACS應用材料與界面》雜志上的相關論文對此進行了大膽預測。

        神奇化學元素鈮

        這種方法的核心是一種用鈮納米線制成的高性能超級電容。支持的設備種類包括智能手表、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、使用壽命更長的特點。目前已經在計算機、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,不會與人體里的各種液體物質發生作用,不僅能用來制造醫療器械,還能用來縫合神經,甚至一些鈮材料還能代替受損的骨頭和關節,就算是被植入人體也沒有任何問題。

        碳納米材料勁敵

        過去十年,科學家一直都在努力尋找能夠制造高性能超級電容的材料。當前最為熱門的材料非碳納米管和石墨烯莫屬,但科學家們對其導電率仍不滿意。
        在這項研究中,由麻省理工學院機械工程學教授伊恩·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的三位研究人員組成的研究小組,經過多次實驗,最終選定了鈮納米線。麥瓦克力和他的同事通過實驗證明,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制成的紗線來制造超級電容。單根鈮納米線的直徑僅為140納米,相當于人類發絲直徑的千分之一。

        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,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境,并具備極好的使用壽命。經過對比,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。更具吸引力的一點是,由于在自然界中的含量較為豐富,鈮納米線超級電容的成本也會比較便宜。

        可穿戴設備福音

        研究人員稱,對于體積小巧的智能設備和可穿戴設備而言,要大幅提升續航時間,一個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,有望顯著減少設備的尺寸。

        麥瓦克力說:“在可穿戴設備領域,消費者對產品的尺寸特別敏感。如果你有一個蘋果手表,重量減少30%你或許感覺不會特別明顯。但如果變薄30%將能給你帶來完全不同的感受?!?br />
        這種改變在小型設備中的價值尤為突出。亨特說:“目前的電池有不少問題,要么存儲效率比較低下,要么在小尺寸下太過復雜。我們的技術剛好站在體積和電能的平衡點上,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工程學教授杰夫斯·平克斯說,對未來的智能面料和可穿戴技術而言,這項工作意義非凡。這項研究具有很強的說服力,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,這種材料只能在實驗室小規模生產。研究人員稱,目前他們已經開始嘗試制造出一種更加實用、更易于大規模生產的版本。相信在不遠的將來,小小的鈮納米線,必將讓可穿戴設備綻放出新的光彩。


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