可穿戴技術新突破：形狀可定製的織物超級電容！

導讀

近日，新加坡南洋理工大學（NTU Singapore）的科學家設計出一種織物般的電源，它經過剪切、摺疊或者拉伸後並不會喪失功能。

背景

超級電容是一種高效實用的新型儲能器件。其作用與電池相似，但它可以快速充電，幾秒鐘之內就可以完全充滿電，也可以反覆充電很多次。超級電容具有充電速度快、循環壽命長、安全可靠、存儲電能多、綠色環保等優點。它適用於任何需要快速充放電循環的應用領域。未來，它的市場前景非常廣闊，將在電動汽車、大功率輸出設備、消費電子設備等領域大顯身手。

然而，在可穿戴技術和智能織物領域，超級電容也扮演著重要角色。筆者曾介紹過，英國曼徹斯特大學開發出的一種固態柔性超級電容器件。科學家通過絲網印刷技術，採用導電石墨烯氧化物油墨，直接將它列印在紡織品例如棉織物上。該超級電容器件的優勢包括：機械柔韌性好、能量與功率密度高、運行安全性高、循環壽命長、成本低。

（圖片來源：曼徹斯特大學）

此外，超級電容還有助於實現電子設備的自供電。所謂自供電，是指無需電池，從外部環境中採集熱能、機械能、輻射能、化學能等形式的能量，為電子設備提供電力。美國得克薩斯大學達拉斯分校（UTD）和韓國漢陽大學科學家領導的國際科研團隊開發出最新的高科技紗線「Twistron」，它可以在自身被拉伸或者扭轉時產生電能。這種紗線由碳納米管構成，本質上是一種超級電容。研究人員稱，當將這種碳納米管紗線浸入電解液時，紗線可以通過電解液本身來充電，不需要外加電源或者外加偏壓實現。

（圖片來源：UTD）

創新

今天，筆者將要介紹的創新成果也是一種超級電容。此外，它也是智能織物和自供電技術交叉融合的典型案例之一。

近日，新加坡南洋理工大學（NTU Singapore）的科學家設計出一種織物般的電源，它經過剪切、摺疊或者拉伸後並不會喪失功能。

（圖片來源：新加坡南洋理工大學）

研究團隊由材料科學與工程學院的副主席 Chen Xiaodong 教授領導，新加坡 A*STAR 材料研究和工程研究所（IMRE）軟材料部門的負責人、高級科學家 Loh Xian Jun 博士也參與了合作研究。團隊的相關論文發表於《高級材料》（Advanced Materials ）1月8日的印刷版上。在論文中，研究人員報告了他們是如何設計出這種可穿戴的電源（一種超級電容）的。另外，團隊也已經為這項技術申請了專利。

技術

關鍵一點是，研究人員已經將超級電容製作成為可定製或者「可編輯」的，這意味著在製造成功後，其結構和形狀可以發生改變，並且還可以保持作為電源的功能。

（圖片來源：新加坡南洋理工大學）

（圖片來源：新加坡南洋理工大學）

（圖片來源：新加坡南洋理工大學）

現有可拉伸的超級電容都採用預先設定的設計和結構中，但是這項新發明卻可以拉伸到多個方向，且當它連接到其他電子器件時，不容易發生匹配錯誤。下圖展示了傳統超級電容和這種可編輯的超級電容在製造方法上的區別。

（圖片來源：新加坡南洋理工大學）

當這種新型電容編輯成一種蜂窩狀結構時，存儲的電荷可比大多數現有的可拉伸超級電容高4倍。此外，當它拉伸到原始長度4倍時，即使在1萬次拉伸和放鬆循環之後，仍可以保持近98%的初始能力用於存儲電能。

Chen

教授及其團隊完成的實驗也顯示，當可編輯的超級電容與感測器配對並放置到人類肘部的時候，它比現有的可拉伸超級電容性能更好。即使是在手臂揮舞的時候，這種可編輯的超級電容也能提供穩定的信號流，然後這些信號會被無線傳輸至外部設備。例如，這些信號可能是代表病人的心率。

這種可編輯的超級電容是由強化的二氧化錳納米線合成材料製成。二氧化錳是一種用於超級電容的普通材料，這種超長納米線結構，強化了碳納米管網路和納米纖維素纖維，讓電極在定製過程中可以承受相應的應力。

作者相信這種可編輯的超級電容非常容易量產，因為它依賴現有的製造技術。因此，生產成本也較低，估計約0.13新加坡元（0.10美元）可以生產1平方厘米的這種材料。

價值

Chen 教授表示：「一種可靠並可編輯的超級電容對於可穿戴電子產業的發展來說非常重要。當可穿戴電子器件能夠可靠地給自身供電，並可以與家和其他環境中的設備進行連接和通信時，它也為『物聯網』領域打開了各種可能性。」

「我自己的夢想是有一天將我們的柔性超級電容與用於健康和運動表現診斷的可穿戴感測器相結合。通過可穿戴電子器件的自供電能力，你可以想像有一天，我們可以創造出用於在比賽期間檢測馬拉松賽跑運動員疲勞狀態的設備，它具有很高的靈敏度並能檢測一般勞累和過度勞累的信號。

Loh 博士表示：「這些互聯的、織物般的電源可定製並具有多功能，能夠提供即插即用的功能，並保持良好的性能。這些柔性電源是高度可拉伸的，是非常有前途的下一代『織物』能量存儲器件，這些器件將集成到可穿戴電子設備中。」

關鍵字

可穿戴技術、智能織物、自供電、超級電容、物聯網

參考資料

【1】http://news.ntu.edu.sg/pages/newsdetail.aspx?URL=http://news.ntu.edu.sg/news/Pages/NR2018_Jan30.aspx&Guid=2e31380c-7056-424a-9452-3d27fdf3d687&Category=News+Releases

【2】Zhisheng Lv, Yifei Luo, Yuxin Tang, Jiaqi Wei, Zhiqiang Zhu, Xinran
Zhou, Wenlong Li, Yi Zeng, Wei Zhang, Yanyan Zhang, Dianpeng Qi, Shaowu
Pan, Xian Jun Loh, Xiaodong Chen. Editable Supercapacitors with Customizable Stretchability Based on Mechanically Strengthened Ultralong MnO2 Nanowire Composite. Advanced Materials, 2018; 30 (2): 1704531 DOI: 10.1002/adma.201704531

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