新兴的可穿戴技术要想取得进步,就需要改进电源。现在,密歇根州立大学的研究人员提供了一种潜在的解决方案,即通过卷曲的碳纳米管森林(CNT)。
密歇根州立大学软机械与电子实验室主任曹长勇(Changyong Cao)领导了一个科学家团队,为可穿戴电子设备提供了高度可伸缩的超级电容器。新开发的超级电容器表现出了坚实的性能和稳定性,即使它被拉伸到原来尺寸的800%,可以进行数千次拉伸/松弛循环。
该团队的研究结果发表在了杂志上先进能源材料这可能会刺激新型可伸缩能源电子系统、可植入生物医学设备以及智能包装系统的发展。
密歇根州立大学包装学院助理教授曹说:“成功的关键是压缩垂直排列的碳纳米管阵列或碳纳米管森林的创新方法。”“我们的设计使三维互联的碳纳米管森林保持良好的导电性,而不是在制造过程中严格限制平面薄膜,使其更加高效、可靠和坚固。”
大多数人都知道可穿戴技术的基本形式,即与智能手机通信的iwatch。在这个例子中,有两项技术需要电池。现在,想象一下,为烧伤患者设计的智能皮肤补丁,可以在为自己供电的同时监测愈合情况——这就是曹文伟的发明可以创造的未来。
在医疗领域,可伸缩/可穿戴电子设备正在开发,它们能够极端扭曲,并能够适应复杂、不平整的表面。在未来,这些创新可以整合到生物组织和器官中,以检测疾病,监测改善,甚至与医疗从业人员沟通。
然而,令人烦恼的问题是一种互补的可穿戴电源——一种持久耐用的电源。如果他们必须使用体积庞大的电池,而且电池会发热,需要充电,那为什么还要开发很酷的新补丁呢?(这很极端,但你懂的。)
曹的发现是第一个将卷曲的立式碳纳米管用于可伸缩储能应用的发现,这种碳纳米管像树木一样生长,其冠层缠在晶片上。然而,这片森林只有10-30微米高。经过转移和折叠,碳纳米管森林形成了令人印象深刻的可伸缩图案,就像毯子一样。这种三维互联的碳纳米管森林具有更大的表面积,可以很容易地用纳米颗粒修饰或适应其他设计。
“这是更健壮;这确实是设计上的一次突破。”他同时也是机械工程、电子与计算机工程专业的助理教授。“即使在每个方向上伸展到300%,它仍然有效地传导。其他设计则会失去效率,通常只能向一个方向拉伸,或者在拉伸较低的水平时完全发生故障。”
就其收集和存储能量的能力而言,曹的皱褶纳米森林优于目前已知的大多数其他碳纳米管超级电容器。即使表现最好的技术可以忍受数千个伸展/放松周期,仍有改进的空间。
金属氧化物纳米颗粒可以很容易地浸渍到皱褶的碳纳米管中,从而大大提高了本发明的效率。曹补充说,这种新发明的方法应该会推动自供电可伸缩电子系统的发展。
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