工业和信息化部主管 中国电子报社主办
收藏本站投稿

半导体

超级电容器新突破:手机外壳可望取代电池

跟你的手机电池和充电器说声再见吧!一种新的结构材料可以将行动装置的整个外壳变成一个混合式超级电容器/电池,从而取代传统的电池。

位于美国田纳西州的范德堡大学(Vanderbilt University)奈米材料与能源装置实验室的研究人员们最近设计出一种新的混合材料,它结合了超级电容器和电池的优点,十分适于做成这类行动装置的外壳。虽然目前这种材料的能量密度仍低于锂离子电池,但更大尺寸的外壳足以弥补能量的不足,而且它还腾出了传统电池占用的空间。

范德堡大学教授Cary Pint透露他与该校博士候选人Andrew Westover目前正进行的这项研究,“我们的研究团队正致力于开发混合式‘电容器-电池’,其表现就像电容器一样,能够像超级电容器那样保持超长的充放电生命周期,而且还能储存以及提供几乎相当于目前锂离子电池的能量。”

Pint希望这种混合式超级电容器材料可被制造于所有类型的建筑计划结构中──从房屋的外墙和侧板墙到飞机的底盘。“研究这种技术的主要目的之一是希望开发出能够整合于房屋中的储能材料,从而提高屋顶太阳能电池的经济价值,并实现分布式电网系统。”

苹果发布专利US008730179B2采用了一种光电触控萤幕,据称可以收集足够的环境光线,无需电源线就能为采用超级电容器外壳的行动装置充电。

苹果公司日前发布一项可在较小尺寸应用中将太阳能电池板嵌入于触控萤幕的专利消息。虽然这项消息的发布与范德堡大学的超级电容器无关,但搭配光电触控萤幕的行动装置与超级电容器外壳的组合据称可以收集足够的环境光线,从而为无电源线的行动设备充电。

Pint表示:“在这类设备中,其基本原理是相同的,只不过可携式装置的尺寸更小罢了。”

然而,无论是哪一种应用,其目的基本上都是相同的,也就是说,将结构材料变成仍然具有与传统结构材料相同承载耐用性的储能装置,但该诸能系统的使用寿命还得超过在作为建筑材料时的寿命。

“我认为这项研究工作的一些重要成果是,承载储能不会影响系统中所用材料的充电储存能力,而由这个领域还可催生出更多的发展方向。”

图中的结构材料实际上是一种能在装置外壳中储存能量的超级电容器,而无需额外的电池元件。

Pint的团队所开发的超级电容器目前能够储存的能量比锂离子电池少10倍,但可以用它们作为其中一部份结构的量进行弥补,而且它们的寿命比电池长1,000倍,使其十分适合行动装置、汽车、飞机与家庭等使用。

“在某些情况下我也不得不站出来说几句,‘总能量’应该是我们最关心的一个衡量指标。储存的能量少10倍,放电次数多1,000倍,这意味着在系统寿命内可储存的能量多100倍。因此这些超级电容器更适合结构性的应用。如果每隔几年就因材料失效而要更换,那么开发这种材料来盖房屋、打造汽车底盘或航空飞行器就没什么意义了。

工作原理

在Pint的原型中,电极是以矽晶圆制造的。晶圆的一边采用化学制程处理,内面覆盖着奈米级孔洞。然后在孔洞中沈积超薄的碳层──类似石墨烯。如同电池中的电解液一样,保留带电离子的聚合物层接着在渗漏进孔洞之处形成两个晶圆/电极之间的夹层。在聚合体冷却和固化后,整个双晶圆结构就会变得异常稳定,能够有效地防止脱层,Pint指出。

传统的固态超级电容器(左)很容易脱层,但范德堡大学的超级电容器(右)内部非常结实,能够保持其结构的完整性。

透过这种方法做成的超级电容器几分钟就可能充饱电──电池则要几个小时才能充饱──而且可以承受每平方英寸高达44磅的应力和压力以及超过80g的振动加速度。虽然展示用的超级电容器是用矽晶打造的,但研究人员计划进一步改善其承载复合材料技术,以适合更具强韧性的应用。具体措施是利用轻量级的多孔金属(如铝)代替嵌入奈米管的碳复合材料。

Pint认为,「在任何复合材料中,无论是用于航空系统还是电子装置的外壳,最理想的状态都是外部保持平滑的功能表面,储能功能则建构在坚固的内部材料层中。」

此外,包括范德堡大学教授Amrutur Anilkumar、博士后助理Shahana Chatterjee、博士候选人Landon Oakes,以及主修机械工程系的大学生John Tian、Shivaprem Bernath和Farhan Nur Shabab,当地高中生Rob Edwards,均对这项研究有所贡献。

奈米级多孔表面性能可实现高效率的电荷储存,而多孔材料仍使电气和机械上保持与底部看得见的大块电极连接。

责任编辑:慕容素娟


声明

1、本站遵循行业规范,任何转载的稿件都会明确标注作者和来源;2、本站的原创文章,请转载时务必注明文章作者和来源,不尊重原创的行为我们将追究责任;3、作者投稿可能会经我们编辑修改或补充;4、如本站的文章或图片存在版权,请拨打电话010-88558835进行联系,我们将第一时间处理。

相关链接

视频

专题

聚焦2021年全国两会

3月5日,第十三届全国人民代表大会第四次会议在北京人民大会堂开幕。党和国家领导人习近平、李克强、汪洋、王沪宁、赵乐际、韩正、王岐山等出席,栗战书主持大会。初春的北京,处处生机盎然。第十三届全国人民代表大会第四次会议5日上午在人民大会堂开幕。近3000名全国人大代表肩负人民重托出席大会,认真履行宪法和法律赋予的神圣职责。

2021年全国工业和信息化工作会议

12月28-29日,全国工业和信息化工作会议在京召开。会议以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,全面贯彻党的十九大和十九届二中、三中、四中、五中全会精神,认真落实习近平总书记重要指示批示精神和中央经济工作会议部署,总结2020年工业和信息化工作,分析形势,部署2021年重点工作。工业和信息化部党组书记、部长肖亚庆作工作报告。

2020年中国家电市场报告

3月22日,中国电子信息产业发展研究院发布了《2020年中国家电市场报告》(以下简称《报告》)。《报告》显示,2020年,我国家电市场零售额规模达到8333亿元,在疫情冲击之下显示出较强的韧性;电商渠道对家电零售的贡献率首次超过50%,网络零售对家电消费的促进作用进一步提升;高端产品、生活家电大幅增长,有效促进了消费升级和产业转型。

世界超高清视频(4K/8K)产业发展大会

会议

2020世界显示产业大会

11月20日,由工业和信息化部、安徽省人民政府共同主办的2020世界显示产业大会在合肥市举行。在开幕式上,工业和信息化部部长肖亚庆、韩国驻华大使张夏成发表视频致辞。安徽省委副书记、省长李国英,工业和信息化部副部长王志军出席开幕式并致辞。

2020世界超高清视频(4K/8K)产业发展大会

11月2日,由工业和信息化部、国家广播电视总局、中央广播电视总台、广东省人民政府共同主办的2020世界超高清视频(4K/8K)产业发展大会在广州市召开。广东省委书记李希出席开幕式,省长马兴瑞出席并致辞。国家广播电视总局局长聂辰席、工业和信息化部副部长王志军、中央广播电视总台副台长蒋希伟出席开幕式并致辞。

2020世界VR产业大会云峰会

10月19日—20日,由工业和信息化部、江西省人民政府主办的2020世界VR产业大会云峰会在南昌举行。在10月19日的开幕式上,中共中央政治局委员、国务院副总理刘鹤发来书面致辞。江西省委常委、南昌市委书记吴晓军,工业和信息化部副部长王志军,江西省委书记、省人大常委会主任刘奇先后致辞。开幕式由江西省委副书记、省长易炼红主持。

世界显示产业大会

本周排行