@ 2015.07.15 , 09:00

可穿戴设备:新型微导线为之提供更大能量

健康和健身监控方面的可穿戴式电子设备在电子消费领域迅速发展; 其最大的瓶颈之一就是它们微型电池需要提供足够的能量来传输数据。现在,麻省理工学院和加拿大的研究人员找到了一个非常有前景的新方法,为这些微型设备提供短而高强度的能量脉冲。

这个新方法的关键在于制造超级电容,其可以储存和释放电能,提供可穿戴设备短暂传输数据的能量,如心脏速率监视器,电脑,智能手机,研究人员说。它们也有其他方面的应用 - 提供小容量高功率的能量,如自主微型机器人。

新方法使用的是纱线,由纳米级别的元素铌制成,就像电极位于微型超级电容器之中(本质上处于导电纤维和绝缘体之间)。这个概念是在ACS 应用材料杂志上刊登,出于麻省理工学院机械工程教授Ian W. Hunter、博士生Seyed M. Mirvakili,和在英属哥伦比亚大学的其他三位。

纳米技术研究人员一直致力于提高超级电容器的性能超过十年时间。期间的碳基纳米材料 - 诸如碳纳米管和石墨烯,已展现出前途无量的应用前景,但它们受限于较低的导电性,Mirvakili说。

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电子显微镜下由纳米铌制成的纱线,麻省理工学院的研究人员发现,可以用来制作非常搞笑的超级电容器。添加高聚合分子的导电涂层(图中的粉色部分),进一步提高电容器的负载量。
正负离子为途中的蓝色与红色的球体。

在这项新的研究里,他和他的同事已经证明这种材料十分理想,如较高的能量密度的特性,碳基材料不再是独一无二的,铌纳米线纱也是很有前景的代替品。

“想象一下,你佩戴某种可穿戴式的健康监测系统,”亨特说,“你需要传输数据,例如使用Wi-Fi,在很长的一段距离。” 目前,在许多小型电子设备中使用硬币大小的电池,传输数据的能量非常有限。

“长距离无线网络连接需要消耗相当的能量,” Hunter说,George N. Hatsopoulos是麻省理工学院机械工程系的热力学教授,“但它可能坚持不了太长时间。”一般的小电池不太适合这种需求,他补充道。

“我们很多人都在使用一些公司的健康或健身监控设备时,亲身经历过这种问题。因此有一个解决方案就是把电池和电容器结合。” Hunter说:这种电池期限长,低功耗,而且电容器为高功率的短脉冲。这样的组合能够增加设备的使用范围,或者说更大的市场应用 - 显著的减少了尺寸的要求 。

这种新型的纳米级超级电容器性能超越现有的电池,而且占用的体积非常小。“如果你有一个苹果手表,而我帮你减少30%重量,你甚至可能不会注意到,” Hunter说。“但是,如果减少30%的体积,这将是非常地牛”他说:消费者非常在意可穿戴设备的大小。

这项创新对微型设备尤其重要,Hunter说,因为其它储能技术-诸如燃料电池,蓄电池以及齿轮 - 往往都是低效的,或仅仅因为太过复杂而在小尺寸上不够实用。“我们正身边一个非常幸福的时代”他说,我们有技术能够在非常小的设备上产生很大的能量脉冲。

理想情况下,亨特说,这可以有用很高的能量密度(给定体积内的能量)(功率存储在给定体积的量)。“没有人想到如何做到这一点”他说。不过,随着新的设备研发,“我们已经有较高能量密度的媒介,并且低成本”,适合大多数的应用使用。
铌是一种相当丰富而且广泛使用的材料,Mirvakili说,所以整个系统应该是廉价而且易于生产的。“造价便宜。”他说道。其他团体也使用碳纳米管或者其他材料制作出类似的超级电容器,但铌纱线更强大而且拥有100倍以上的导电性。总体而言,铌基超级电容器能够比碳纳米管存储多达五倍的能量。

铌还具有非常高的熔点- 近2500摄氏度- 所以这些纳米线制成的设备可以适用于高温环境。

此外,该材料具有高度的柔韧性,可以织成织物,穿戴在身上; 单条纳米铌线只直径只有140纳米 - 1400亿分之一米,大约是头发宽度的千分之一。

到目前为止,该材料仅仅在实验设备上制造。下一步,已在进行之中,就是要弄清如何设计出一个实用、简单的制造方案,研究人员说。

“这项工作对智能面料和未来可穿戴技术的发展有重要的意义,” 澳大利亚伍伦贡大学的工程学教授Geoff Spinks说,但他没有参与此项研究。他补充说,“铌基超级电容器令人信服地展现出非凡的性能。”

该团队还包括博士生Mehr Negar Mirvakili、Peter Englezos教授和John Madden教授,都来自加拿大英属哥伦比亚大学。

本文译自 sciencedaily,由译者 小松鼠 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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