杜克大學和密歇根州立大學的研究人員已經設計出一種新型超級電容器，即使被拉伸到原來大小的8倍時，它仍然能夠完全發揮功能。而且它不會因反復拉伸而出現任何磨損，在10000次充放電循環后僅損失幾個百分點的容量。研究人員認為，這種超級電容器將成為一種獨立于電源且可伸縮的電子系統的一部分，應用于可穿戴電子設備或生物醫學設備等領域。

該研究結果發表在3月19日的《Matter》雜志上。研究團隊包括密歇根州立大學機械工程、電氣和計算機工程助理教授曹長勇和杜克大學電氣和計算機工程教授杰夫·格拉斯。他們的合著者是杜克大學的博士生查爾斯·帕克以及麻省理工學院的博士生曹云騰。

密歇根州立大學軟機器與電子實驗室主任曹長勇說道：“我們的目標是開發能夠在拉伸、扭轉或彎曲等機械變形中不失去性能的創新設備。如果可伸縮電子設備的電源不能伸縮，那么整個設備系統也將被限制為不能伸縮。”。

超級電容器能夠像電池一樣儲存能量，但有所不同。電池以化學方式儲存能量并通過化學反應產生電荷，而超級電容器則不同，它通過電荷分離儲存能量，無法自己產生電能，必須通過外部來源充電。與電池不同的是，超級電容器能夠在短時間內釋放出大量能量，其充放電速度比電池快得多，而且比蓄電池能承受更多的充放電循環。

超級電容器以其出色的功率密度而聞名，與化學電池相比，其能快速充電和放電大量能量，并且具有比化學電池更長的壽命，而化學電池通常具有存儲更多能量的優勢。

但是大多數超級電容器和電路板上的其他元件一樣堅硬易碎，因此曹長勇花了數年的時間研究這個可伸縮的版本。

在他們的新論文中，研究人員展示了其工作成果，他們制造了一個郵票大小的超級電容器，可以提供兩伏特的電壓。將四個超級電容器連接在一起時，它們可以為一個2伏的卡西歐手表供電一個半小時。

為了制造這種可伸縮的超級電容器，格拉斯和他的研究團隊首先在硅晶片上生長出一個碳納米管森林（數百萬納米管），這些納米管的直徑只有15納米，高20到30微米。然后，研究人員在碳納米管森林的頂部涂上一層薄薄的金納米薄膜。這個金層就像一個電子收集器，使得這個裝置的電阻比以前的版本降低了一百萬數量級，使得這個裝置能夠更快地充電和放電。

然后，格拉斯將剩下的工程交給曹長勇，曹長勇將碳納米管森林轉移到預拉伸彈性體基底上，金面朝下。然后使預應變釋放，使其收縮到原來尺寸的四分之一。這一過程將這層薄薄的黃金揉成一團，將碳納米管森林中的“樹木”匯聚在一起。格拉斯解釋說道：“褶皺極大地增加了在小空間內可用的表面積，從而增加了它所能承載的電荷量。如果我們有足夠大的空間，一個平坦的表面就可以了。但是，如果我們想要一個可以真正用在設備上的超級電容器，我們就需要盡可能地把它做得更小。”。

曹長勇說道：“為了建立一個完整的可伸縮的電子系統，我們還有一些工作要做。這篇論文中展示的超級電容器還沒有達到我們預期的效果。但是有了這個基礎，我們將能夠把它集成到一個由可伸縮電線、傳感器和探測器組成的系統中，從而創造出完全可伸縮的設備。”。

研究人員解釋說，可拉伸的超級電容器自己可以為一些未來的設備供電，或者可以與其他元件相結合來克服工程上的挑戰。例如，超級電容器可以在幾秒鐘內充電，然后緩慢地給作為設備主要能量來源的電池充電。這種方法已被用于混合動力汽車的再生制動，在混合動力汽車中，能量產生的速度比儲存的速度快。超級電容器提高了整個系統的效率。或者，正如日本已經證明的那樣，超級電容器可以為城市通勤的公交車提供動力，在每一站完成一次完全充電所需的時間很短。

“很多人想把超級電容器和電池連接在一起。”Glass說。“超級電容器充電速度快，可以承受數千次甚至數百萬次的充電，而電池可以儲存更多的電量，因此可以使用很長時間。把它們放在一起不失為兩全其美的辦法，畢竟它們在同一個電氣系統中有兩種不同的功能。”

可實時修復的伸縮型超級電容器

合肥工業大學化學與化工學院教授從懷萍課題組與中國科學技術大學教授俞書宏研究團隊合作，通過一體化器件構型設計，成功研發了新型超級可伸縮電容器，在國際上首次實現充放電過程中的實時自修復，為研發智能柔性能源存儲器件提供了新途徑。

目前的可伸縮超級電容器機械形變能力有限，且電極層與電解質層間易產生錯位。針對這一難題，科研人員創新性地在單體引發聚合過程中引入動態金屬配位鍵，成功研發了具有優異伸縮性能和光學、電學多重刺激響應修復性能的納米復合水凝膠電極和電解質。通過進一步在凝膠電極上化學焊接銀納米線薄膜作為集流體，該團隊實現了利用各層間豐富的金屬—硫配位作用，化學鍵合構筑具有整體構型的超級電容器。

基于電容器各組分層的微結構和界面作用力優化以及整體化器件構型設計，這一新型超級電容器具有卓越的柔性和可修復性能。實驗結果表明，新型電容器的面電容值高達885 mF/cm2，拉伸應變可達原長的8倍。同時，基于電極和電解質優異的本征彈性和自修復性能以及一體化器件構型設計，該電容器具備快速的光自修復能力和高效的電學實時自修復能力。

責任編輯：gt