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微型超級(jí)電容可為穿戴裝置量身打造電源

美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)(Case Western Reserve University；CWRU)的研究人員開發(fā)出一種軟性的線形微型超級(jí)電容(microsupercapacitor)，可織入于外套、襯衫或衣裙中，從而為可穿戴式電子裝置創(chuàng)造出量身打造的電源。

透過設(shè)計(jì)或以串聯(lián)/并聯(lián)的方式連接電容器，該元件可被量身打造成為搭配穿戴式裝置所需的充電儲(chǔ)存與傳輸。

盡管像隨身攝影機(jī)、智慧眼鏡、監(jiān)測(cè)健康感測(cè)器與活動(dòng)追蹤器等穿戴式電子產(chǎn)品持續(xù)進(jìn)展，但仍面臨一項(xiàng)挑戰(zhàn)——只能提供很少且充電麻煩的電源。

線形的微型超級(jí)電容器無需彎曲，即可織入白色織品中（來源：CWRU）。

“服裝的大小是固定的，因此，為了在較小區(qū)域產(chǎn)生所需的功率密度，我們?cè)谧鳛橹饕姌O的鈦線上生長徑向校準(zhǔn)的氧化鈦奈米管，”凱斯西儲(chǔ)大學(xué)高分子科學(xué)與工程Kent Hale Smith教授戴黎明表示，“藉由增加電極的表面積，就能提高電容值。”

戴黎明與凱斯西儲(chǔ)大學(xué)分子科學(xué)與工程系博士后研究員Tao Chen在最新一期的《能量儲(chǔ)存材料》(Energy Storage Materials)期刊中發(fā)表了他們?cè)谖⑿统?jí)電容的研究成果。

電容與電池是系出同門的儲(chǔ)能元件，但電容提供了更快充電和放電的優(yōu)點(diǎn)。

在這款新開發(fā)的超級(jí)電容器中，在調(diào)整過的鈦線上覆以由聚乙烯醇和磷酸制造的固體電解質(zhì)涂層，再用紗線或排列整齊的碳奈米管薄膜包覆鈦線，作為次電極。氧化鈦奈米管是一種半導(dǎo)體，可兩電極的兩個(gè)主動(dòng)部份區(qū)隔開來，以免發(fā)生短路。

在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，當(dāng)碳奈米管線紗股線從1增加到2再到3時(shí)，電容每微米(mm)的儲(chǔ)電能力也從0.57毫法拉(mf)增加到0.9mf，再增加到1.04mf。

而當(dāng)以碳奈米管薄層包覆時(shí)，增加了電極的有效面積，使微型超級(jí)電容每微米可儲(chǔ)存1.84mf的電量。能量密度約為每立方公分0.16 x 10-3mW，而功率密度約為每立方公分0.01mW。

無論是否包覆線紗或薄層，微型超級(jí)電容在經(jīng)過1,000次充放電周期后，仍能保有至少80%的電容。研究人員表示，為了搭配穿戴式裝置的各種特殊電源需求，這種線形的電容器能以串聯(lián)或并聯(lián)的方式提高電壓或電流。

當(dāng)經(jīng)過幾百次的180度彎曲后，該電容器仍可展現(xiàn)毫無損耗的性能。而且采用薄層包覆的方式更能展現(xiàn)較高的機(jī)械強(qiáng)度。

戴黎明說，“這種微型超級(jí)電容十分輕柔，因此能整合于織物或紡織材料中，為穿戴式裝置提供可穿戴的軟性電源，而且也可用于自供電生物感測(cè)器或其他生醫(yī)裝置，特別適于人體內(nèi)的應(yīng)用?！?/p>

目前，研究人員正著手將線形電容織入紡織物中，并進(jìn)一步使其與穿戴式裝置整合。