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              铌纳米线超级电容或改变可穿戴技术未来永恒

              2021-06-03

              来源:

              人气:2

              时下随处可见的智能手表和健身手环已成为一种时尚配件,让不少人爱不释手。但受制于尺寸,这些设备的电池容量和待机时间都十分有限。

              日前,美国麻省理工学院和加拿大英属哥伦比亚大学的研究人员开发出的一种柔性超级电容,或许能让这种状况成为历史,为智能手表和可穿戴设备来带一个更具想象空间的未来。发表在《ACS应用材料与界面》杂志上的相关论文对此进行了大胆预测。

              神奇化学元素铌

              这种方法的核心是一种用铌纳米线制成的高性能超级电容。支持的设备种类包括智能手表、心率传感器、电脑以及智能等。此外,这种大功率、小体积的设备还有望在微型自主机器人上获得应用。

              铌是一种具备良好超导性能的金属元素,在地球上储量丰富。在多种具备超导性能的元素中,铌是临界温度最高的一种。

              因其独特的电气性能,铌常被用来制造电容。铌电容与同体积的其他电容相比,具有容量更大、工作温度范围更宽、使用寿命更长的特点。目前已经在计算机、雷达、导弹、飞机的电路中大量使用。

              此外,这种材料还具备极好的抗腐蚀性和生物相容性,不会与人体里的各种液体物质发生作用,不仅能用来制造医疗器械,还能用来缝合神经,甚至一些铌材料还能代替受损的骨头和关节,就算是被植入人体也没有任何问题。

              碳纳米材料劲敌

              过去十年,科学家一直都在努力寻找能够制造高性能超级电容的材料。当前最为热门的材料非碳纳米管和石墨烯莫属,但科学家们对其导电率仍不满意。

              在这项研究中,由麻省理工学院机械工程学教授伊恩W亨特、博士生赛义德M麦瓦克力和加拿大英属哥伦比亚大学的三位研究人员组成的研究小组,经过多次实验,最终选定了铌纳米线。麦瓦克力和他的同事通过实验证明,高能量密度并非碳纳米材料所独有,铌纳米材料或许是一种更好的选择。

              新研究采用了一种用铌纳米线制成的纱线来制造超级电容。单根铌纳米线的直径仅为140纳米,相当于人类发丝直径的千分之一。

              与碳纳米材料相比,新材料具有许多独到的优势。首先,这种材料是高度柔性的,能被编织成织物,做成各种形状,能更好地满足制造可穿戴设备的需要;其次,与碳纳米材料相比,铌纳米线强度更好,导电率也比这些材料高100倍以上。此外,铌还具有高达2500摄氏度的熔点,这使由它制成的超级电容完全能够用于各种苛刻的高温环境,并具备极好的使用寿命。经过对比,在同样的体积内,铌基超级电容器能够存储比碳那纳米管材料多5倍的电能。更具吸引力的一点是,由于在自然界中的含量较为丰富,铌纳米线超级电容的成本也会比较便宜。

              可穿戴设备福音

              研究人员称,对于体积小巧的智能设备和可穿戴设备而言,要大幅提升续航时间,一个选择是采用电池和超级电容的组合。这样的组合将让便携设备的设计更加轻松。由于新的纳米线超级电容在性能上远超目前的电池,而且占用的体积极少,有望显著减少设备的尺寸。

              麦瓦克力说:在可穿戴设备领域,消费者对产品的尺寸特别敏感。如果你有一个苹果手表,重量减少30%你或许感觉不会特别明显。但如果变薄30%将能给你带来完全不同的感受。

              这种改变在小型设备中的价值尤为突出。亨特说:目前的电池有不少问题,要么存储效率比较低下,要么在小尺寸下太过复杂。我们的技术刚好站在体积和电能的平衡点上,能在较小的体积内存储较大的电能。

              澳大利亚卧龙岗大学工程学教授杰夫斯平克斯说,对未来的智能面料和可穿戴技术而言,这项工作意义非凡。这项研究具有很强的说服力,足以让人认识到铌基纤维超级电容器惊人的表现。

              儿子被推进手术室抢救仅仅10余分钟 到目前为止,这种材料只能在实验室小规模生产。研究人员称,目前他们已经开始尝试制造出一种更加实用、更易于大规模生产的版本。相信在不远的将来,小小的铌纳米线,必将让可穿戴设备绽放出新的光彩。

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