現(xiàn)代社會(huì)，智能設(shè)備早已成為人們須臾不可或缺的必備品，手機(jī)、電腦、平板、電子書��在給人們工作、生活等方面帶來無與倫比的便利的同時(shí)，也為人們平添了些許煩惱。
回到家中或者到達(dá)公司，可能大多數(shù)人的第一件事便是為智能手機(jī)或者電腦充電；不少人也曾遭遇過因?yàn)槭謾C(jī)沒電而錯(cuò)失重要電話的情況。那么，如何才能保證讓智能設(shè)備時(shí)刻有充足的電量，讓“充電五分鐘，通話兩小時(shí)”不再只是一句廣告語(yǔ)呢？
科學(xué)家們?yōu)榇私g盡腦汁。最近，來自美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)（UCF）的科研團(tuán)隊(duì)有了新的解決方案。
太陽(yáng)能充電服
佛羅里達(dá)大學(xué)納米科學(xué)技術(shù)中心的科研人員發(fā)明了一款太陽(yáng)能充電服，產(chǎn)生電能的光伏電池和存儲(chǔ)電能的電容器，都可以穿在身上。
在這項(xiàng)最新研究中，科研人員制備了一種條帶狀的材料，這種材料可以收集光能，然后再將光能轉(zhuǎn)換為電能，存儲(chǔ)在附帶的電容中。
不同于之前的研究，此次科研人員將發(fā)電層和儲(chǔ)能層連在一起，這樣，條帶材料和帶有超級(jí)電容器的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池便可以通過柔韌的銅帶連接在一起。銅帶除了起到連接的作用之外，還能作為直接電荷轉(zhuǎn)移的共享電極。
經(jīng)過測(cè)量，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)柔軟的太陽(yáng)能帶暴露在太陽(yáng)下吸收太陽(yáng)能時(shí)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化率能達(dá)到10%。與此同時(shí)，超級(jí)電容器比電容能達(dá)到1193法拉/克（F/g），而目前市場(chǎng)上的超級(jí)電容器的比電容卻只在100F/g左右。
這就意味著當(dāng)條帶材料的功能是太陽(yáng)能電池時(shí)，它可以有效地產(chǎn)生電能；而當(dāng)它的功能是一個(gè)超級(jí)電容器時(shí)，與普通的超級(jí)電容器相比，它能更持久地儲(chǔ)存能量。
為了更好地應(yīng)用這種技術(shù)，研究者將目光聚焦于將其制作成服裝。實(shí)際上，之所以會(huì)想到制作太陽(yáng)能充電服，據(jù)UCF納米科學(xué)技術(shù)中心副教授Jayan Thomas表示，這得益于科幻電影所帶來的靈感。而且這樣的服裝可以遠(yuǎn)距離使用，人們?cè)僖膊挥脼閷ふ页潆娫炊l(fā)愁。
不要認(rèn)為太陽(yáng)能充電服只是一件普通的服裝，其實(shí)這項(xiàng)技術(shù)還可以在軍事上大展拳腳。“在伊拉克和阿富汗的士兵會(huì)經(jīng)常在陽(yáng)光下走動(dòng)。其中部分士兵還要背著重量超過30磅的電池。而在一些惡劣的環(huán)境，運(yùn)輸電池是一件非常困難的事情。”Thomas表示。
不過，借助這項(xiàng)技術(shù)并制成服飾，就可以使士兵在陽(yáng)光下行走的同時(shí)，讓設(shè)備吸收太陽(yáng)的能量，繼而轉(zhuǎn)化成電能存儲(chǔ)起來。
當(dāng)然，任何一項(xiàng)新生技術(shù)都不會(huì)是完美的，太陽(yáng)能充電服亦如此。因?yàn)橄啾扔谄胀ǖ幕瘜W(xué)電池，太陽(yáng)能充電服其中的條帶材料仍存在存儲(chǔ)容量較小的缺陷。目前，科研人員正致力于改善這些材料在儲(chǔ)能極限和能量密度等方面的性能。
“秒充秒放”
使用智能設(shè)備的人都遇到過這樣的問題：經(jīng)過了一段時(shí)間的使用，電池便會(huì)出現(xiàn)退化老化的問題，充電后續(xù)航時(shí)間越來越短，耗電越來越快。
因此，解決充電源問題只是解決了智能產(chǎn)品儲(chǔ)能難題的一個(gè)方面，提升產(chǎn)品自身電池的儲(chǔ)能性能才是根本。
長(zhǎng)期以來，科研人員一直努力嘗試用納米材料改進(jìn)超級(jí)電容器的性能，從而提升智能電子產(chǎn)品電池的表現(xiàn)，最終達(dá)到取代電池的終極目標(biāo)。
鋰離子電池能量密度低導(dǎo)致儲(chǔ)能不高的問題一直令業(yè)界苦惱。于是，科研人員打算在高功率超級(jí)電容上做文章。
但是，這仍然是一個(gè)相當(dāng)棘手的問題。因?yàn)槌?jí)電容器要想儲(chǔ)存與鋰離子電池相同的電量，其體積就要比后者大得多。所以，不少研究團(tuán)隊(duì)選擇了從材料入手。
有些科研人員曾試圖將一些新發(fā)現(xiàn)的、只有幾個(gè)原子厚的二維材料運(yùn)用到超級(jí)電容器上；還有一些研究人員嘗試過采用石墨烯等儲(chǔ)電性能強(qiáng)的二維材料來制備超級(jí)電容。但成功的案例少之又少，電容器的性能改善也很有限。
歸根結(jié)底，問題出在將二維材料與現(xiàn)有電池材料的融合上，這也一直是該領(lǐng)域的一大瓶頸。不過，長(zhǎng)期研究超級(jí)電容的UCF科研團(tuán)隊(duì)偏偏啃起了這根“硬骨頭”。
功夫不負(fù)有心人，科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型超級(jí)電容器制備技術(shù)，研制出了可彎曲的超級(jí)電容器，可以取代之前的普通電池。
有了它，只需要為手機(jī)充電幾秒鐘，就可以擁有維持一周以上的電量。同時(shí)，這種新產(chǎn)品可以反復(fù)充電超過3萬(wàn)次，并幾乎沒有損耗。而目前市場(chǎng)上的普通鋰離子電池基本上只能保證在充電1500次之內(nèi)電池的性能不會(huì)有所下降。
據(jù)科研團(tuán)隊(duì)介紹，這種超級(jí)電容器是由數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的納米線組成，并且在超級(jí)電容器的表面噴涂了一層二維材料，制備出一種核殼型的超級(jí)電容器。這種超級(jí)電容器具有超高導(dǎo)電性能的芯，從而使得電池體系能夠快速地進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移，從而能實(shí)現(xiàn)快速充放電的效果。具有二維材料殼的超級(jí)電容器，能夠非常顯著地提高電池體系的能量，增加其功率密度。
“對(duì)于小型電子設(shè)備而言，我們制備出的材料在能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性等方面的性能已處于世界領(lǐng)先地位，遠(yuǎn)超出常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。”UCF科研團(tuán)隊(duì)的博士后Nitin Choudhary如是說。
因?yàn)樾枰浞挚简?yàn)這種超級(jí)電容器的性能，所以其距離商業(yè)化還有一段路要走。但科研人員表示，這項(xiàng)研究成果有望在未來的移動(dòng)設(shè)備與電動(dòng)車領(lǐng)域開啟更多應(yīng)用前景。
潛能無限
通過前述不難想象，利用超級(jí)電容器，在幾秒鐘之內(nèi)為手機(jī)充滿電，在幾分鐘之內(nèi)為電動(dòng)汽車充滿電的情景，也許在不遠(yuǎn)的將來就能實(shí)現(xiàn)。
那么，超級(jí)電容器到底有怎樣的“本領(lǐng)”呢？
其實(shí)，超級(jí)電容器是一種功率型儲(chǔ)能器件，是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲(chǔ)能裝置。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。
與人們熟知的普通電容器相比，在相同重量的情況下，超級(jí)電容器的電能儲(chǔ)存量和放電時(shí)間要高出成百上千倍，而功率只有普通電容器的1/10。
超級(jí)電容器具有使用壽命長(zhǎng)、充電時(shí)間短、材料無限、低溫性能良好等多方面的優(yōu)勢(shì)。在能量?jī)?chǔ)存方面，應(yīng)用超級(jí)電容器最吸引人的地方在于，它能夠達(dá)到鋰離子電池或鉛酸電池完全無法承受的非常高的充放電速率。這可用于開發(fā)釋放能量迅速的能量?jī)?chǔ)存設(shè)備，如電動(dòng)汽車的動(dòng)力能源載體，或者是那些需要快速放電的應(yīng)用，如為電動(dòng)汽車或電動(dòng)工具提供啟動(dòng)動(dòng)力。
除了在儲(chǔ)能效率方面很“強(qiáng)悍”，其高于鋰電池的安全性能也一直為業(yè)界所追捧。近幾年因鋰電池安全而引發(fā)的各類事件頻頻曝光。有專家曾經(jīng)指出，鋰電池“本性難移”，很難從技術(shù)上彌補(bǔ)其安全性短板。而利用靜電電荷存儲(chǔ)電能的超級(jí)電容本身就保證了其安全性。
縱觀全球，美國(guó)、日本、俄羅斯、瑞士等國(guó)家的一些公司憑借多年積累的技術(shù)，已率先走在超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)化的前沿。如美國(guó)的 Maxwell，日本的Nec、松下、Tokin和俄羅斯的Econd公司等，目前占據(jù)了全球大部分市場(chǎng)。
專注智能科技市場(chǎng)研究的調(diào)研公司IDTechEX曾做過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)到2018年，超級(jí)電容器全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到32億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為31%，這充分展現(xiàn)了超級(jí)電容器對(duì)世界各國(guó)的吸引力。
當(dāng)然，不論未來超級(jí)電容器是否會(huì)取代鋰電池，其在新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)、新能源汽車、節(jié)能建筑、工業(yè)節(jié)能減排等各個(gè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用，早已決定了超級(jí)電容器的戰(zhàn)略價(jià)值�！�