跟你的手機電池和充電器說聲再見吧！一種新的結(jié)構(gòu)材料可以將移動終端的整個外殼變成一個混合式超級電容器/電池，從而取代傳統(tǒng)的電池。
位于美國田納西州的范德堡大學(xué)(Vanderbilt University)納米材料與能源裝置實驗室的研究人員們最近設(shè)計出一種新的混合材料，它結(jié)合了超級電容器和電池的優(yōu)點，十分適于做成這類移動終端的外殼。雖然目前這種材料的能量密度仍低于鋰離子電池，但更大尺寸的外殼足以彌補能量的不足，而且它還騰出了傳統(tǒng)電池占用的空間。
范德堡大學(xué)教授Cary Pint透露他與該校博士候選人Andrew Westover目前正進行的這項研究，“我們的研究團隊正致力于開發(fā)混合式“電容器－電池”，其表現(xiàn)就像電容器一樣，能夠像超級電容器那樣保持超長的充放電生命周期，而且還能儲存以及提供幾乎相當(dāng)于目前鋰離子電池的能量。”
Pint希望這種混合式超級電容器材料可被制造于所有類型的建筑計劃結(jié)構(gòu)中從房屋的外墻和側(cè)板墻到飛機的底盤。“研究這種技術(shù)的主要目的之一是希望開發(fā)出能夠整合于房屋中的儲能材料，從而提高屋頂太陽能電池的經(jīng)濟價值，并實現(xiàn)分布式電網(wǎng)系統(tǒng)。”
蘋果發(fā)布專利US008730179B2采用了一種光電觸控屏幕，據(jù)稱可以收集足夠的環(huán)境光線，無需電源線就能為采用超級電容器外殼的移動終端充電。
蘋果公司日前發(fā)布一項可在較小尺寸應(yīng)用中將太陽能電池板嵌入于觸控屏幕的專利消息。雖然這項消息的發(fā)布與范德堡大學(xué)的超級電容器無關(guān)，但搭配光電觸控屏幕的移動終端與超級電容器外殼的組合據(jù)稱可以收集足夠的環(huán)境光線，從而為無電源線的移動終端充電。
Pint表示，“在這類設(shè)備中，其基本原理是相同的，只不過便攜設(shè)備的尺寸更小罷了。”
然而，無論是哪一種應(yīng)用，其目的基本上都是相同的，也就是說，將結(jié)構(gòu)材料變成仍然具有與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相同承載耐用性的儲能裝置，但該諸能系統(tǒng)的使用壽命還得超過在作為建筑材料時的壽命。
“我認為這項研究工作的一些重要成果是，承載儲能不會影響系統(tǒng)中所用材料的充電儲存能力，而由這個領(lǐng)域還可催生出更多的發(fā)展方向。”
圖中的結(jié)構(gòu)材料實際上是一種能在裝置外殼中儲存能量的超級電容器，而無需額外的電池組件。（來源：范德堡大學(xué)）
Pint的團隊所開發(fā)的超級電容器目前能夠儲存的能量比鋰離子電池少10倍，但可以用它們作為其中一部份結(jié)構(gòu)的量進行彌補，而且它們的壽命比電池長1,000倍，使其十分適合移動終端、汽車、飛機與家庭等使用。
“在某些情況下我也不得不站出來說幾句，"總能量"應(yīng)該是我們最關(guān)心的一個衡量指標(biāo)。儲存的能量少10倍，放電次數(shù)多1,000倍，這意味著在系統(tǒng)壽命內(nèi)可儲存的能量多100倍。因此這些超級電容器更適合結(jié)構(gòu)性的應(yīng)用。如果每隔幾年就因材料失效而要更換，那么開發(fā)這種材料來蓋房屋、打造汽車底盤或航空飛行器就沒什么意義了。
工作原理
在Pint的原型中，電極是以硅晶圓制造的。晶圓的一邊采用化學(xué)制程處理，內(nèi)面覆蓋著納米級孔洞。然后在孔洞中沈積超薄的碳層類似石墨烯。如同電池中的電解液一樣，保留帶電離子的聚合物層接著在滲漏進孔洞之處形成兩個晶圓/電極之間的夾層。在聚合體冷卻和固化后，整個雙晶圓結(jié)構(gòu)就會變得異常穩(wěn)定，能夠有效地防止脫層，Pint指出。
傳統(tǒng)的固態(tài)超級電容器(左)很容易脫層，但范德堡大學(xué)的超級電容器(右)內(nèi)部非常結(jié)實，能夠保持其結(jié)構(gòu)的完整性。
透過這種方法做成的超級電容器幾分鐘就可能充飽電電池則要幾個小時才能充飽而且可以承受每平方英寸高達44磅的應(yīng)力和壓力以及超過80g的振動加速度。雖然展示用的超級電容器是用硅晶打造的，但研究人員計劃進一步改善其承載復(fù)合材料技術(shù)，以適合更具強韌性的應(yīng)用。具體措施是利用輕量級的多孔金屬(如鋁)代替嵌入納米管的碳復(fù)合材料。
Pint認為，“在任何復(fù)合材料中，無論是用于航空系統(tǒng)還是電子裝置的外殼，最理想的狀態(tài)都是外部保持平滑的菜單面，儲能功能則建構(gòu)在堅固的內(nèi)部材料層中。”
此外，包括范德堡大學(xué)教授Amrutur Anilkumar、博士后助理Shahana Chatterjee、博士候選人Landon Oakes，以及主修機械工程系的大學(xué)生John Tian、Shivaprem Bernath和Farhan Nur Shabab，當(dāng)?shù)馗咧猩鶵ob Edwards，均對這項研究有所貢獻。
納米級多孔表面性能可實現(xiàn)高效率的電荷儲存，而多孔材料仍使電氣和機械上保持與底部看得見的大塊電極連接。
美國能源部(DoE)的先進能源研究計劃署(ARPA-E)在專注于將能量儲存整合于結(jié)構(gòu)材料的研究方面已經(jīng)投資870萬美元。獲得能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室支持的美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)納米相位材料科學(xué)中心協(xié)助提供這類材料的制造。范德堡大學(xué)的資金則由美國國家科學(xué)基金會(NSF)提供。
