可拉伸的超级电容器，为柔性可穿戴设备铺路

shuszhao

杜克大学和密歇根州立大学的研究人员设计出了一种新型的超级电容器，即使将其拉伸到其原始大小的八倍，也可以保持完全的功能。它不会因反复拉伸而出现任何磨损，并且在10,000次充放电循环后仅损失了几个百分点的能量性能。
该研究小组着手尝试为他们正在研究的可穿戴设备开发一种真正灵活的电源，目标是开发能够承受拉伸，扭曲或弯曲等机械变形而又不损失性能的创新设备。如果可拉伸电子设备的电源设备不可伸缩，那么整个设备系统将被约束为不可伸缩。
结果于3月19日在线发表在Cell Press期刊的Matter上。

研究团队包括密歇根州立大学（MSU）的包装，机械工程以及电气和计算机工程助理教授曹长永和杜克大学的电气和计算机工程教授Jeff Glass。他们的合著者是博士生周毅浩和韩启伟，杜克大学的研究科学家查尔斯·帕克以及博士学位。麻省理工学院的学生曹运腾。
超级电容器像电池一样存储能量，但有一些重要的区别。与化学存储能量并通过化学反应产生电荷的电池不同，静电双层超级电容器（EDLSC）通过电荷分离存储能量，并且无法产生自己的电能。必须从外部来源收取费用。在充电过程中，电子积聚在设备的一部分上，并从另一部分移出，因此，当两侧连接时，电流会在它们之间快速流动。
同样与电池不同，超级电容器能够在短短但大量的脉冲中释放能量，而不是通过漫长而缓慢的trick流放电。它们还可以比电池快得多的充电和放电时间，并且比可充电电池承受更多的充放电循环。这使其非常适合短时间的高功率应用，例如关闭相机中的闪光灯或立体声中的放大器。
但是大多数超级电容器的硬度和脆性与电路板上的任何其他组件一样。这就是为什么Cao和Glass花费了数年的时间来开发可伸缩版本的原因。

研究小组采用了一种设计，首先在硅片上建立了一个小的“碳纳米管森林”，直径约15纳米的小块中有数百万个约20-30微米高的纳米管。然后，研究人员在碳纳米管森林的顶部覆盖了一层金纳米薄膜，降低了最终器件的电阻，并使其比以前的设计更快地传输电荷。
然后，将其金色朝下放置在一个弹性基材上，该基材在张力下可拉伸至其正常长度的四倍。一旦打开，张力就释放了，整个东西皱了起来，以更高的密度将“森林”中的纳米管“树”挤在一起。
最后，在纳米管“森林”中填充凝胶电解质，该电解质能够在纳米管表面捕获电子。在这一点上，把两个电极夹在一起，施加一个电压，把所有的电子从一边传送到另一边，在那里电子可以储存起来，然后作为能量释放出来。
研究人员解释说，可伸展的超级电容器可以自己为某些未来设备供电，也可以将它们与其他组件组合起来以克服工程挑战。
例如，超级电容器可以在几秒钟内充电，然后缓慢地为用作设备主要能源的电池充电。
这种方法已用于混合动力汽车的再生破坏，在混合动力汽车中，产生的能量快于其存储的能量。超级电容器可提高整个系统的效率。或者，正如日本已经证明的那样，超级电容器可以为公交车提供城市通勤的动力，并在短短的时间内为乘客上下车，在每个站点完成一次完全充电。

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