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铌纳米线纱制造高性能超级电容器

发布时间:2018-05-15 浏览次数:38

em使用由铌纳米线制成的纱线,麻省理工学院的研究人员已经开发出一种制造超级电容器的新方法。 / em

用于健康和健身监测的可穿戴电子设备是消费电子领域迅速发展的领域;他们最大的限制之一是他们的微型电池能够提供足够的电力来传输数据。现在,麻省理工学院和加拿大的研究人员已经找到了一种很有希望的新方法来提供这种小型设备所需的短而强烈的功率突发。

研究人员说,关键是制造超级电容器的新方法 - 可以存储和释放电能的设备,这些设备可用于从可穿戴设备(例如心率监测器,计算机或智能手机)传输短时数据。它们也可能用于需要小体积高功率的其他应用,例如自主微型机器人。

这种新方法使用由铌元素的纳米线制成的纱线作为微型超级电容器中的电极(它们基本上是一对导电纤维和绝缘体之间的电极)。这个概念在MIT应用材料和接口杂志上发表,该论文由MIT机械工程学教授Ian W. Hunter,博士生Seyed M. Mirvakili和另外三位不列颠哥伦比亚大学的学者撰写。

纳米技术研究人员一直在努力提高超级电容器在过去十年的性能。 Mirvakili说,在纳米材料中,碳纳米颗粒(如碳纳米管和石墨烯)显示出很好的结果,但是它们的电导率相对较低。

在这项新工作中,他和他的同事们已经表明,这种器件的理想特性(如高功率密度)并不是碳基纳米颗粒所特有的,铌纳米线纱是一种很有前途的替代品。

“想象一下,你有一种可穿戴的健康监测系统,”亨特说,“它需要通过长距离传输数据,例如使用Wi-Fi。”目前,使用的硬币大小的电池在许多小型电子设备中,一次能够提供大量电力的能力非常有限,这就是数据传输所需要的。

“长距离Wi-Fi需要相当大的功率,”麻省理工学院机械工程系的热力学教授乔治N.哈索普洛斯说,“但它可能不需要很长时间。”小型电池一般都很差他补充说,适合这种电力需求。

“我们知道这是许多公司在健康监测或运动监测领域遇到的问题。所以另一种方法是将电池和电容组合起来,“亨特说:长期低功耗的电池,以及高功率短脉冲电容。这样的组合应该能够增加设备的范围,或者 - 可能在市场上更重要 - 能够显着减小尺寸要求。

新的基于纳米线的超级电容器超过了现有电池的性能,而占用的体积非常小。 “如果你有Apple Watch,我可以减少30%的折扣,你甚至可能不会注意到,”Hunter说。 “但是如果你将产量减少30%,这将是一件大事,”他说,消费者对可穿戴设备的尺寸非常敏感。

亨特说,这种创新对于小型设备尤其重要,因为其他能源储存技术(如燃料电池,电池和飞轮)往往效率较低,或者简单地过于复杂以至于在缩小至非常小的尺寸时实用。 “我们现在处于一个非常好的位置,”他说,这种技术可以通过一个非常小的设备提供强大的爆发力。

理想情况下,亨特说,有一个高体积功率密度(在给定体积中存储的功率量)和高体积能量密度(在给定体积中的能量量)是理想的。 “没有人知道如何做到这一点,”他说。但是,采用新器件“我们具有相当高的容量功率密度,中等能量密度和低成本”,这种组合可能非常适合许多应用。

铌是一种相当丰富和广泛使用的材料,Mirvakili说,所以整个系统应该便宜且易于生产。 “制造成本很便宜,”他说。其他团队使用碳纳米管或其他材料制造了类似的超级电容器,但是铌丝更坚固并且导电性更强。总的来说,铌基超级电容器可以在碳纳米管版本的规定体积内储存多达五倍的功率。

铌具有非常高的熔点 - 接近2,500摄氏度 - 因此用这些纳米线制成的器件可能会成为可能适用于高温应用

此外,这种材料具有高度的柔韧性,可以编织到织物中,从而实现可穿戴的形式;单个铌纳米线的直径仅为140纳米 - 横跨一千万亿分之一米,或约千分之一人类头发的宽度。

迄今为止,该材料仅在实验室规模设备中生产。研究人员表示,下一步工作正在进行中,研究人员如何设计出实用且易于制造的版本。

澳大利亚卧龙岗大学工程教授Geoff Spinks说:“这项工作对于智能织物和未来可穿戴技术的发展具有非常重要的意义,但与该研究无关。他补充说,这篇论文“令人信服地证明了铌基纤维超级电容器令人印象深刻的性能。”

该团队还包括博士生Mehr Negar Mirvakili和教授Peter Englezos和John Madden,他们均来自不列颠哥伦比亚大学。

出版物:Seyed M. Mirvakili等人,“来自铌纳米线的高性能超级电容器”,ACS Appl。母校。 Interfaces,2015,7(25),pp 13882-13888; DOI:10.1021 / acsami.5b02327

来源:麻省理工学院新闻办公室David L. Chandler


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