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纳米铌纱线技术为可穿戴设备提供更大能量

标准集团(香港)有限公司纺织科技资讯:纳米铌纱线技术为可穿戴设备提供更大能量。健康和健身监控方面的可穿戴式电子设备,在电子消费领域迅速发展; 其大的瓶颈之一就是它们微型电池,需要提供足够的能量来传输数据。

现在,麻省理工学院和加拿大的研究人员找到了一个非常有前景的新方法,为这些微型设备提供短而高强度的能量脉冲。

这个新方法的关键在于制造超级电容,其可以储存和释放电能,提供可穿戴设备短暂传输数据的能量,如心脏速率监视器,电脑,智能手机,研究人员说。它们也有其他方面的应用 – 提供小容量高功率的能量,如自主微型机器人。

新方法使用的是纱线,由纳米级别的元素铌制成,就像电极位于微型超级电容器之中(本质上处于导电纤维和绝缘体之间)。这个概念是在ACS 应用材料杂志上刊登,出于麻省理工学院机械工程教授Ian W. Hunter、博士生Seyed M. Mirvakili,和在英属哥伦比亚大学的其他三位。

纳米技术研究人员一直致力于提高超级电容器的性能超过十年时间。期间的碳基纳米材料 – 诸如碳纳米管和石墨烯,已展现出前途无量的应用前景,但它们受限于较低的导电性,Mirvakili说。

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电子显微镜下由纳米铌制成的纱线,麻省理工学院的研究人员发现,可以用来制作非常搞笑的超级电容器。添加高聚合分子的导电涂层(图中的粉色部分),进一步提高电容器的负载量。

正负离子为途中的蓝色与红色的球体。

在这项新的研究里,他和他的同事已经证明这种材料十分理想,如较高的能量密度的特性,碳基材料不再是独一无二的,铌纳米线纱也是很有前景的代替品。

“想象一下,你佩戴某种可穿戴式的健康监测系统,”亨特说,“你需要传输数据,例如使用Wi-Fi,在很长的一段距离。” 目前,在许多小型电子设备中使用硬币大小的电池,传输数据的能量非常有限。

“长距离无线网络连接需要消耗相当的能量,” Hunter说,George N. Hatsopoulos是麻省理工学院机械工程系的热力学教授,“但它可能坚持不了太长时间。”一般的小电池不太适合这种需求,他补充道。

“我们很多人都在使用一些公司的健康或健身监控设备时,亲身经历过这种问题。因此有一个解决方案就是把电池和电容器结合。” Hunter说:这种电池期限长,低功耗,而且电容器为高功率的短脉冲。这样的组合能够增加设备的使用范围,或者说更大的市场应用 – 显著的减少了尺寸的要求 。

这种新型的纳米级超级电容器性能超越现有的电池,而且占用的体积非常小。“如果你有一个苹果手表,而我帮你减少30%重量,你甚至可能不会注意到,” Hunter说。“但是,如果减少30%的体积,这将是非常地牛”他说:消费者非常在意可穿戴设备的大小。

这项创新对微型设备尤其重要,Hunter说,因为其它储能技术-诸如燃料电池,蓄电池以及齿轮 – 往往都是低效的,或仅仅因为太过复杂而在小尺寸上不够实用。“我们正身边一个非常幸福的时代”他说,我们有技术能够在非常小的设备上产生很大的能量脉冲。

理想情况下,亨特说,这可以有用很高的能量密度(给定体积内的能量)(功率存储在给定体积的量)。“没有人想到如何做到这一点”他说。不过,随着新的设备研发,“我们已经有较高能量密度的媒介,并且低成本”,适合大多数的应用使用。

铌是一种相当丰富而且广泛使用的材料,Mirvakili说,所以整个系统应该是廉价而且易于生产的。“造价便宜。”他说道。其他团体也使用碳纳米 管或者其他材料制作出类似的超级电容器,但铌纱线更强大而且拥有100倍以上的导电性。总体而言,铌基超级电容器能够比碳纳米管存储多达五倍的能量。

铌还具有非常高的熔点- 近2500摄氏度- 所以这些纳米线制成的设备可以适用于高温环境。

此外,该材料具有高度的柔韧性,可以织成织物,穿戴在身上; 单条纳米铌线只直径只有140纳米 – 1400亿分之一米,大约是头发宽度的千分之一。

到目前为止,该材料仅仅在实验设备上制造。下一步,已在进行之中,就是要弄清如何设计出一个实用、简单的制造方案,研究人员说。

“这项工作对智能面料和未来可穿戴技术的发展有重要的意义,” 澳大利亚伍伦贡大学的工程学教授Geoff Spinks说,但他没有参与此项研究。他补充说,“铌基超级电容器令人信服地展现出非凡的性能。”

该团队还包括博士生Mehr Negar Mirvakili、Peter Englezos教授和John Madden教授,都来自加拿大英属哥伦比亚大学。