可穿戴技术新突破：形状可定制的织物超级电容！

2018 年 1 月 31 日 IntelligentThings John

导读

近日，新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的科学家设计出一种织物般的电源，它经过剪切、折叠或者拉伸后并不会丧失功能。

背景

超级电容是一种高效实用的新型储能器件。其作用与电池相似，但它可以快速充电，几秒钟之内就可以完全充满电，也可以反复充电很多次。超级电容具有充电速度快、循环寿命长、安全可靠、存储电能多、绿色环保等优点。它适用于任何需要快速充放电循环的应用领域。未来，它的市场前景非常广阔，将在电动汽车、大功率输出设备、消费电子设备等领域大显身手。

然而，在可穿戴技术和智能织物领域，超级电容也扮演着重要角色。笔者曾介绍过，英国曼彻斯特大学开发出的一种固态柔性超级电容器件。科学家通过丝网印刷技术，采用导电石墨烯氧化物油墨，直接将它打印在纺织品例如棉织物上。该超级电容器件的优势包括：机械柔韧性好、能量与功率密度高、运行安全性高、循环寿命长、成本低。

（图片来源：曼彻斯特大学）

此外，超级电容还有助于实现电子设备的自供电。所谓自供电，是指无需电池，从外部环境中采集热能、机械能、辐射能、化学能等形式的能量，为电子设备提供电力。美国得克萨斯大学达拉斯分校（UTD）和韩国汉阳大学科学家领导的国际科研团队开发出最新的高科技纱线“Twistron”，它可以在自身被拉伸或者扭转时产生电能。这种纱线由碳纳米管构成，本质上是一种超级电容。研究人员称，当将这种碳纳米管纱线浸入电解液时，纱线可以通过电解液本身来充电，不需要外加电源或者外加偏压实现。

（图片来源：UTD）

创新

今天，笔者将要介绍的创新成果也是一种超级电容。此外，它也是智能织物和自供电技术交叉融合的典型案例之一。

近日，新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的科学家设计出一种织物般的电源，它经过剪切、折叠或者拉伸后并不会丧失功能。

（图片来源：新加坡南洋理工大学）

研究团队由材料科学与工程学院的副主席 Chen Xiaodong 教授领导，新加坡 A*STAR 材料研究和工程研究所（IMRE）软材料部门的负责人、高级科学家 Loh Xian Jun 博士也参与了合作研究。团队的相关论文发表于《高级材料》（Advanced Materials ）1月8日的印刷版上。在论文中，研究人员报告了他们是如何设计出这种可穿戴的电源（一种超级电容）的。另外，团队也已经为这项技术申请了专利。

技术

关键一点是，研究人员已经将超级电容制作成为可定制或者“可编辑”的，这意味着在制造成功后，其结构和形状可以发生改变，并且还可以保持作为电源的功能。

（图片来源：新加坡南洋理工大学）

现有可拉伸的超级电容都采用预先设定的设计和结构中，但是这项新发明却可以拉伸到多个方向，且当它连接到其他电子器件时，不容易发生匹配错误。下图展示了传统超级电容和这种可编辑的超级电容在制造方法上的区别。

（图片来源：新加坡南洋理工大学）

当这种新型电容编辑成一种蜂窝状结构时，存储的电荷可比大多数现有的可拉伸超级电容高4倍。此外，当它拉伸到原始长度4倍时，即使在1万次拉伸和放松循环之后，仍可以保持近98%的初始能力用于存储电能。

Chen 教授及其团队完成的实验也显示，当可编辑的超级电容与传感器配对并放置到人类肘部的时候，它比现有的可拉伸超级电容性能更好。即使是在手臂挥舞的时候，这种可编辑的超级电容也能提供稳定的信号流，然后这些信号会被无线传输至外部设备。例如，这些信号可能是代表病人的心率。

这种可编辑的超级电容是由强化的二氧化锰纳米线合成材料制成。二氧化锰是一种用于超级电容的普通材料，这种超长纳米线结构，强化了碳纳米管网络和纳米纤维素纤维，让电极在定制过程中可以承受相应的应力。

作者相信这种可编辑的超级电容非常容易量产，因为它依赖现有的制造技术。因此，生产成本也较低，估计约0.13新加坡元（0.10美元）可以生产1平方厘米的这种材料。

价值

Chen 教授表示：“一种可靠并可编辑的超级电容对于可穿戴电子产业的发展来说非常重要。当可穿戴电子器件能够可靠地给自身供电，并可以与家和其他环境中的设备进行连接和通信时，它也为‘物联网’领域打开了各种可能性。”

“我自己的梦想是有一天将我们的柔性超级电容与用于健康和运动表现诊断的可穿戴传感器相结合。通过可穿戴电子器件的自供电能力，你可以想象有一天，我们可以创造出用于在比赛期间检测马拉松赛跑运动员疲劳状态的设备，它具有很高的灵敏度并能检测一般劳累和过度劳累的信号。

Loh 博士表示：“这些互联的、织物般的电源可定制并具有多功能，能够提供即插即用的功能，并保持良好的性能。这些柔性电源是高度可拉伸的，是非常有前途的下一代‘织物’能量存储器件，这些器件将集成到可穿戴电子设备中。”

关键字

可穿戴技术、智能织物、自供电、超级电容、物联网

参考资料

【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