新型超级电容器可拉至原来的八倍大，适用于可穿戴电子设备领域

杜克大学和密歇根州立大学的研究人员已经设计出一种新型超级电容器，即使被拉伸到原来大小的8倍时，它仍然能够完全发挥功能。而且它不会因反复拉伸而出现任何磨损，在10000次充放电循环后仅损失几个百分点的容量。研究人员认为，这种超级电容器将成为一种独立于电源且可伸缩的电子系统的一部分，应用于可穿戴电子设备或生物医学设备等领域。

该研究结果发表在3月19日的《Matter》杂志上。研究团队包括密歇根州立大学机械工程、电气和计算机工程助理教授曹长勇和杜克大学电气和计算机工程教授杰夫·格拉斯。他们的合著者是杜克大学的博士生查尔斯·帕克以及麻省理工学院的博士生曹云腾。

密歇根州立大学软机器与电子实验室主任曹长勇说道：“我们的目标是开发能够在拉伸、扭转或弯曲等机械变形中不失去性能的创新设备。如果可伸缩电子设备的电源不能伸缩，那么整个设备系统也将被限制为不能伸缩。”。

超级电容器能够像电池一样储存能量，但有所不同。电池以化学方式储存能量并通过化学反应产生电荷，而超级电容器则不同，它通过电荷分离储存能量，无法自己产生电能，必须通过外部来源充电。与电池不同的是，超级电容器能够在短时间内释放出大量能量，其充放电速度比电池快得多，而且比蓄电池能承受更多的充放电循环。

超级电容器以其出色的功率密度而闻名，与化学电池相比，其能快速充电和放电大量能量，并且具有比化学电池更长的寿命，而化学电池通常具有存储更多能量的优势。

但是大多数超级电容器和电路板上的其他元件一样坚硬易碎，因此曹长勇花了数年的时间研究这个可伸缩的版本。

在他们的新论文中，研究人员展示了其工作成果，他们制造了一个邮票大小的超级电容器，可以提供两伏特的电压。将四个超级电容器连接在一起时，它们可以为一个2伏的卡西欧手表供电一个半小时。

为了制造这种可伸缩的超级电容器，格拉斯和他的研究团队首先在硅晶片上生长出一个碳纳米管森林（数百万纳米管），这些纳米管的直径只有15纳米，高20到30微米。然后，研究人员在碳纳米管森林的顶部涂上一层薄薄的金纳米薄膜。这个金层就像一个电子收集器，使得这个装置的电阻比以前的版本降低了一百万数量级，使得这个装置能够更快地充电和放电。

然后，格拉斯将剩下的工程交给曹长勇，曹长勇将碳纳米管森林转移到预拉伸弹性体基底上，金面朝下。然后使预应变释放，使其收缩到原来尺寸的四分之一。这一过程将这层薄薄的黄金揉成一团，将碳纳米管森林中的“树木”汇聚在一起。格拉斯解释说道：“褶皱极大地增加了在小空间内可用的表面积，从而增加了它所能承载的电荷量。如果我们有足够大的空间，一个平坦的表面就可以了。但是，如果我们想要一个可以真正用在设备上的超级电容器，我们就需要尽可能地把它做得更小。”。

曹长勇说道：“为了建立一个完整的可伸缩的电子系统，我们还有一些工作要做。这篇论文中展示的超级电容器还没有达到我们预期的效果。但是有了这个基础，我们将能够把它集成到一个由可伸缩电线、传感器和探测器组成的系统中，从而创造出完全可伸缩的设备。”。

研究人员解释说，可拉伸的超级电容器自己可以为一些未来的设备供电，或者可以与其他元件相结合来克服工程上的挑战。例如，超级电容器可以在几秒钟内充电，然后缓慢地给作为设备主要能量来源的电池充电。这种方法已被用于混合动力汽车的再生制动，在混合动力汽车中，能量产生的速度比储存的速度快。超级电容器提高了整个系统的效率。或者，正如日本已经证明的那样，超级电容器可以为城市通勤的公交车提供动力，在每一站完成一次完全充电所需的时间很短。

“很多人想把超级电容器和电池连接在一起。”Glass说。“超级电容器充电速度快，可以承受数千次甚至数百万次的充电，而电池可以储存更多的电量，因此可以使用很长时间。把它们放在一起不失为两全其美的办法，毕竟它们在同一个电气系统中有两种不同的功能。”

可实时修复的伸缩型超级电容器

合肥工业大学化学与化工学院教授从怀萍课题组与中国科学技术大学教授俞书宏研究团队合作，通过一体化器件构型设计，成功研发了新型超级可伸缩电容器，在国际上首次实现充放电过程中的实时自修复，为研发智能柔性能源存储器件提供了新途径。

目前的可伸缩超级电容器机械形变能力有限，且电极层与电解质层间易产生错位。针对这一难题，科研人员创新性地在单体引发聚合过程中引入动态金属配位键，成功研发了具有优异伸缩性能和光学、电学多重刺激响应修复性能的纳米复合水凝胶电极和电解质。通过进一步在凝胶电极上化学焊接银纳米线薄膜作为集流体，该团队实现了利用各层间丰富的金属—硫配位作用，化学键合构筑具有整体构型的超级电容器。

基于电容器各组分层的微结构和界面作用力优化以及整体化器件构型设计，这一新型超级电容器具有卓越的柔性和可修复性能。实验结果表明，新型电容器的面电容值高达885 mF/cm2，拉伸应变可达原长的8倍。同时，基于电极和电解质优异的本征弹性和自修复性能以及一体化器件构型设计，该电容器具备快速的光自修复能力和高效的电学实时自修复能力。

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