Only Perception: 可彎曲的微型超級電容

2013-08-21

可彎曲的微型超級電容

Scientists create tiny bendy power supply for even smaller portable electronics
http://phys.org/news/2013-08-scientists-tiny-bendy-power-smaller.html

Aug 07, 2013

科學家創造出一種強大的微型超級電容（micro-supercapacitor），只有幾奈米厚，能協助電子公司開發出比以前更小、更輕、更薄的行動電話與相機。這種微小的電力供應量起來不到半公分寬，且以彈性材料製成，為可穿戴式電子裝置開啟新的可能性。

研究發表在 Royal Society of Chemistry 的 Energy & Environmental Science 期刊上。

使手機這類可攜式電子裝置變更小的瓶頸在於減少電路中電源供應的尺寸並增加其彈性。超級電容是一種具吸引力的電力供應，因為它們所能儲存的能量幾乎與電池一樣，且具有高速放電的優勢。超級電容的電極通常以碳或導電聚合物製成，不過這些材料的成本相對來說比較高。

一個由位於德國 Dresden 的 Leibniz 固態材料研究所（IFW-Dresden）的 Oliver G Schmidt 教授所領導的團隊，進行把二氧化錳（manganese dioxide）當成電極材料替代品的實驗。二氧化錳對環境更加友善，而且比標準材料更便宜。二氧化錳之所以沒有成為電極材料的「首選」是因為其導電性不高，且天生不具彈性也不夠強韌。不過科學家利用一道電子束將二氧化錳氣化（vaporising），讓氣態原子能沈積成薄而柔韌的薄膜，從而克服這個問題。他們將非常薄的金層合併到薄膜，藉此改善這種材料的導電性。

新微型超級電容的測試證明，這種微小、柔韌的電源供應能儲存更多能量且每單位體積所能提供的電力比最先進的超級電容還要更多。

Chenglin Yan 博士，IFW-Dresden 研究小組的領導者，表示："超級電容，身為一種新的能量裝置，能儲存高能量並提供高功率，橋接起可充電電池與傳統電容器之間的空隙。故我們認為微型超級電容在進展神速的可攜式消費性電子裝置中，將會是一項重要的發展，因為那需要小型、輕量、有彈性的微米等級電源。"

"該裝置能被應用到許多微型化技術中，包括植入式醫療裝置與 RFID 標籤，成為自供電的微型化裝置。"

該團隊接下來的研究是尋找比金還要更廉價的替代品來改善微型超級電容的導電率。

Yan 博士說："我們在開發這項技術時所需要克服的主要挑戰是，在微米尺度下，以低成本獲得非常高的能量密度。在我們的微型超級電容中包含金，會使其更昂貴，所以我們目前正試圖以更便宜的金屬，例如錳，取代金，使裝置在市場上更實用。"

※ 相關報導：

＊ On chip, all solid-state and flexible micro-supercapacitors with high performance based on MnOx/Au multilayers
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/ee/c3ee41286e/unauth

Wenping Si, Chenglin Yan, Yao Chen, Steffen Oswal,
Luyang Han and Oliver G. Schmidt.
Energy Environ. Sci., 2013,
doi: 10.1039/C3EE41286E

In this work, we introduce a new concept to fabricate on chip, all solid-state and flexible micro-supercapacitors based on MnOx/Au multilayers, which are compatible with current microelectronics. The micro-supercapacitor exhibits a maximum energy density of 1.75 mW h cm^-3 and a maximum power density of 3.44 W cm^-3, which are both much higher than the values obtained for other solid-state supercapacitors. At a scan rate of 1 V s^-1, a volumetric capacitance of 32.8 F cm^-3 is obtained for MnOx/Au multilayer electrodes, which is much higher than the bare MnOx electrode.