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作者：记者 倪伟波综合报道 来源： 发布时间：2017-4-21 20:3:37
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现代社会，智能设备早已成为人们须臾不可或缺的必备品，手机、电脑、平板、电子书��在给人们工作、生活等方面带来无与伦比的便利的同时，也为人们平添了些许烦恼。
回到家中或者到达公司，可能大多数人的第一件事便是为智能手机或者电脑充电；不少人也曾遭遇过因为手机没电而错失重要电话的情况。那么，如何才能保证让智能设备时刻有充足的电量，让“充电五分钟，通话两小时”不再只是一句广告语呢？
科学家们为此绞尽脑汁。最近，来自美国佛罗里达大学（UCF）的科研团队有了新的解决方案。
太阳能充电服
佛罗里达大学纳米科学技术中心的科研人员发明了一款太阳能充电服，产生电能的光伏电池和存储电能的电容器，都可以穿在身上。
在这项最新研究中，科研人员制备了一种条带状的材料，这种材料可以收集光能，然后再将光能转换为电能，存储在附带的电容中。
不同于之前的研究，此次科研人员将发电层和储能层连在一起，这样，条带材料和带有超级电容器的钙钛矿太阳能电池便可以通过柔韧的铜带连接在一起。铜带除了起到连接的作用之外，还能作为直接电荷转移的共享电极。
经过测量，研究人员发现，当柔软的太阳能带暴露在太阳下吸收太阳能时，钙钛矿太阳能电池的转化率能达到10%。与此同时，超级电容器比电容能达到1193法拉/克（F/g），而目前市场上的超级电容器的比电容却只在100F/g左右。
这就意味着当条带材料的功能是太阳能电池时，它可以有效地产生电能；而当它的功能是一个超级电容器时，与普通的超级电容器相比，它能更持久地储存能量。
为了更好地应用这种技术，研究者将目光聚焦于将其制作成服装。实际上，之所以会想到制作太阳能充电服，据UCF纳米科学技术中心副教授Jayan Thomas表示，这得益于科幻电影所带来的灵感。而且这样的服装可以远距离使用，人们再也不用为寻找充电源而发愁。
不要认为太阳能充电服只是一件普通的服装，其实这项技术还可以在军事上大展拳脚。“在伊拉克和阿富汗的士兵会经常在阳光下走动。其中部分士兵还要背着重量超过30磅的电池。而在一些恶劣的环境，运输电池是一件非常困难的事情。”Thomas表示。
不过，借助这项技术并制成服饰，就可以使士兵在阳光下行走的同时，让设备吸收太阳的能量，继而转化成电能存储起来。
当然，任何一项新生技术都不会是完美的，太阳能充电服亦如此。因为相比于普通的化学电池，太阳能充电服其中的条带材料仍存在存储容量较小的缺陷。目前，科研人员正致力于改善这些材料在储能极限和能量密度等方面的性能。
“秒充秒放”
使用智能设备的人都遇到过这样的问题：经过了一段时间的使用，电池便会出现退化老化的问题，充电后续航时间越来越短，耗电越来越快。
因此，解决充电源问题只是解决了智能产品储能难题的一个方面，提升产品自身电池的储能性能才是根本。
长期以来，科研人员一直努力尝试用纳米材料改进超级电容器的性能，从而提升智能电子产品电池的表现，最终达到取代电池的终极目标。
锂离子电池能量密度低导致储能不高的问题一直令业界苦恼。于是，科研人员打算在高功率超级电容上做文章。
但是，这仍然是一个相当棘手的问题。因为超级电容器要想储存与锂离子电池相同的电量，其体积就要比后者大得多。所以，不少研究团队选择了从材料入手。
有些科研人员曾试图将一些新发现的、只有几个原子厚的二维材料运用到超级电容器上；还有一些研究人员尝试过采用石墨烯等储电性能强的二维材料来制备超级电容。但成功的案例少之又少，电容器的性能改善也很有限。
归根结底，问题出在将二维材料与现有电池材料的融合上，这也一直是该领域的一大瓶颈。不过，长期研究超级电容的UCF科研团队偏偏啃起了这根“硬骨头”。
功夫不负有心人，科研团队研发了一种新型超级电容器制备技术，研制出了可弯曲的超级电容器，可以取代之前的普通电池。
有了它，只需要为手机充电几秒钟，就可以拥有维持一周以上的电量。同时，这种新产品可以反复充电超过3万次，并几乎没有损耗。而目前市场上的普通锂离子电池基本上只能保证在充电1500次之内电池的性能不会有所下降。
据科研团队介绍，这种超级电容器是由数以百万计的纳米线组成，并且在超级电容器的表面喷涂了一层二维材料，制备出一种核壳型的超级电容器。这种超级电容器具有超高导电性能的芯，从而使得电池体系能够快速地进行电子转移，从而能实现快速充放电的效果。具有二维材料壳的超级电容器，能够非常显著地提高电池体系的能量，增加其功率密度。
“对于小型电子设备而言，我们制备出的材料在能量密度、功率密度和循环稳定性等方面的性能已处于世界领先地位，远超出常规标准。”UCF科研团队的博士后Nitin Choudhary如是说。
因为需要充分考验这种超级电容器的性能，所以其距离商业化还有一段路要走。但科研人员表示，这项研究成果有望在未来的移动设备与电动车领域开启更多应用前景。
潜能无限
通过前述不难想象，利用超级电容器，在几秒钟之内为手机充满电，在几分钟之内为电动汽车充满电的情景，也许在不远的将来就能实现。
那么，超级电容器到底有怎样的“本领”呢？
其实，超级电容器是一种功率型储能器件，是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。
与人们熟知的普通电容器相比，在相同重量的情况下，超级电容器的电能储存量和放电时间要高出成百上千倍，而功率只有普通电容器的1/10。
超级电容器具有使用寿命长、充电时间短、材料无限、低温性能良好等多方面的优势。在能量储存方面，应用超级电容器最吸引人的地方在于，它能够达到锂离子电池或铅酸电池完全无法承受的非常高的充放电速率。这可用于开发释放能量迅速的能量储存设备，如电动汽车的动力能源载体，或者是那些需要快速放电的应用，如为电动汽车或电动工具提供启动动力。
除了在储能效率方面很“强悍”，其高于锂电池的安全性能也一直为业界所追捧。近几年因锂电池安全而引发的各类事件频频曝光。有专家曾经指出，锂电池“本性难移”，很难从技术上弥补其安全性短板。而利用静电电荷存储电能的超级电容本身就保证了其安全性。
纵观全球，美国、日本、俄罗斯、瑞士等国家的一些公司凭借多年积累的技术，已率先走在超级电容器产业化的前沿。如美国的 Maxwell，日本的Nec、松下、Tokin和俄罗斯的Econd公司等，目前占据了全球大部分市场。
专注智能科技市场研究的调研公司IDTechEX曾做过数据统计，预计到2018年，超级电容器全球市场规模将达到32亿美元，年复合增长率为31%，这充分展现了超级电容器对世界各国的吸引力。
当然，不论未来超级电容器是否会取代锂电池，其在新能源发电、智能电网、新能源汽车、节能建筑、工业节能减排等各个行业的广泛应用，早已决定了超级电容器的战略价值。■
《科学新闻》 (科学新闻2017年3月刊 科学传播)
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