Only Perception: 彈性、透明的超級電容器

2009-04-03

彈性、透明的超級電容器

Flexible, transparent supercapacitors -- bend and twist them like a poker card
http://www.physorg.com/news157721337.html

March 31st, 2009

那是一種完全透明且可撓曲能量轉換與儲存裝置，你可以像一張卜克牌那樣折彎與扭曲它。

它延續一系列在 USC Viterbi 工程學院創造的原型裝置，那能完成現在通常由矽晶片所處理的電子運作，使用的是嵌入在氧化銦薄膜中的奈米碳管與金屬奈米線，而且其價格有可能與那些現存技術相競爭。

這種裝置是一種超級電容器（supercapacitor），一種電路元件能暫存大量電能以便在需要時釋出。一個由 Chongwu Zhou（周崇武）所領軍的團隊在一篇剛發表於 Applied Physics Letters 的論文中描述它。

它的創造者認為該裝置指出未來應用的方向，例如「電子紙」顯示器與相應產品當中的彈性電力供應元件。

該裝置以 64 Farad/gram 的比電容（specific capacitance，單位電容）儲存了 1.29 Watt-hour/kilogram 的能量密度。相較之下，傳統電容的能量密度不到 0.1 Wh/kg 且儲存電容只有零點幾 millifarads（毫法拉）。

Zhou，他在 USC Ming Hsieh 電機工程系擁有 Jack Munushiun Early Career Chair（終身教授），與 USC 畢業生 Po-Chiang Che、Sawalok Sukcharoenchoke 以及博士後 Guozhen Shen 一同進行研究。

該小組將金屬氧化物奈米線與奈米碳管（CNTs）結合以形成異質薄膜，並更進一步最佳化附著在透明塑膠基質上之薄膜厚度，以維持這種超級電容器在力學彈性與光學透明度。

根據 Zhou 表示，這項研究，基於將奈米碳管與金屬奈米線結合，代表著僅使用奈米碳管與石墨製造超級電容器之早期嘗試的一項進展。

這樣的成果與那些使用過渡金屬氧化物材料的（包括鐵、錳、銣的氧化物）相比，僅有穩當的表現（modest performance）。此外，以這些材料製成之儲能裝置並沒有力學上的彈性或光學上的透明度，那限制它們在彈性與透明電子學的應用。

在效能上的關鍵性改善，根據這項研究表示，能歸因於金屬氧化物奈米線與奈米碳管薄膜的結合。氧化銦奈米線，具有寬能隙（band gap）、高長寬比（aspect ratio）與短擴散路徑長度等特性，可成為透明電化學電容器的最佳候選者。Zhou 教授的實驗室在過去幾年都是這種材料的先驅。

（中略譯）

研究者不僅將這種金屬氧化物奈米線／奈米碳管異質薄膜當成超級電容器的活性材料與電流收集電極來創造，而且也藉由大週期數的充／放電測量，檢驗了這種透明、彈性超級電容器的穩定性。該論文提及這種電容器如何製作。

"CNT 薄膜由真空過濾法（vacuum filtration）製造。一種黏著劑與平坦的聚二甲基矽氧烷（PDMS）壓印（stamp）被採用，使 CNT 薄膜從過濾膜剝落，並接著將其釋放到 PET 基質上。直徑約為 20 奈米，長度約為 5 微米的 In2O3 奈米線，以脈衝雷射沈積（pulsed laser deposition，PLD）法製成。這種原生（as-grown）奈米線被聲裂（sonicated，譯註：以超音波振裂）到 IPA 溶液中，接著分散到已轉移的 CNT 薄膜上，形成 In2O3 奈米線／CNT 異質薄膜，以供透明彈性超級電容器研究用。"

此外，隨著 In2O3 奈米線分散在 CNT 薄膜上，這種異質超級電容器的比電容能從 25.4 Farad/gram 大幅改善至 64 Farad/gram。與其他用過渡金屬製成的超級電容器相比，這種超級電容器具有良好的穩定性，適合長期的電容器應用。

※ 相關報導：

＊ Flexible and transparent supercapacitor based on In2O3 nanowire/carbon nanotube heterogeneous films
http://link.aip.org/link/?APPLAB/94/043113/1