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針織式超級電容器,在智慧衣裡儲存電力

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

文/李允誠

Zypad

穿戴式科技席捲了近幾年的科技市場,而其中正在起步的智慧衣,或許會是未來的必備商品。source:wiki

穿戴式裝置正火紅,除了智慧手錶、智慧手環等常見的穿戴裝置,你知道還有智慧衣嗎?相較於智慧手錶或手環,智慧衣能更貼近、更大範圍的覆蓋人體,在生理檢測上,能比手環類產品來的準確。但若要能夠檢測,智慧衣就得通電,目前市面上的智慧衣仍需要額外的供電裝置(像是固體電池等)來供給電力,不但累贅,也降低了穿戴舒適性。

超級電容器供電於無形之中

美國卓克所大學(Drexel University)近期和美國海軍學院合作了一項研究計畫,他們找出一種方式,能夠讓活性碳顆粒嵌入不同類型的毛線中,藉此可儲存能量,進而觸發感測器及電子整合裝置,並將這類針織品改良而成智慧衣。

這些由不同類型感測元件製成的「智慧布料」,其實已經發展十年之久。但以往這些產品往往都只是實驗室裡的展示品,近幾年才開始進入消費者市場,像是能夠監控運動員生理狀況的智慧穿戴裝置,以及追蹤健康與身心狀況的產品。根據 Gartner 在 2014 年底的報告指出,智慧服裝的市場將會從 2014 年的十萬件,成長到 2016 年的兩千六百萬之譜。

直至目前為止,市面上多數產品皆會利用額外的處理裝置來做資料擷取,並和智慧手機、平板等行動裝置連結。這些處理裝置的模組雖然不大,但仍必須使用傳統電池供給電力,從美學或是功能的角度來看,這樣的設計其實都不盡理想。

因此,創造一個高彈性,且能整合到針織品的能量儲存器一直是相關研究人員的目標。終於在去年,來自中國與美國的研究團隊有了一些成果,他們分別展示了由石墨與碳奈米管製成,且能編織進服飾的纖維狀超級電容器。當時的報導指出,這些以碳為基礎的微型超級電容器,每個纖維擁有最高的體積能量密度(每小時 6.3 微瓦/每立方毫米,相當於一個 4 伏特,每小時 500 微安培的電池)。但是這些產品雖然看似強大,其造價卻相當昂貴,而且碳奈米管可能含有毒性的疑慮尚未被排除,再再都降低了此產品的商業價值。

關鍵因子:活性碳、天然纖維焊接與離子液體

為了能夠創造出不需外在裝置、成本低廉的能量儲存裝置,卓克斯大學的團隊開始採用價格便宜的活性碳。除了便宜外,活性碳安全無毒,甚至常常被用於減少有毒物質的吸收。根據卓克斯大學材料科學家 Yury Gogotsi 表示,只要使用約 3000 平方公分的面積(相當於襯衫背部中央區塊的大小),便能儲存相當於一個 4 平方公分大小的錢幣型電池的電力。

為了達到這樣的能量密度,該團隊採用一種叫做天然纖維焊接的技術(Natural Fiber Welding,NFW),這種技術是由美國海軍學院的化學教授 Paul C. Trulove 與空軍辦公室的科學研究部的 Hugh C. Delong 發明。NFW 可讓像是活性碳等材料,嵌入由棉、麻、竹子或人造絲製成的紗布、織品。

NFW 技術雖然複雜,但在卓克斯大學與海軍學院團隊的努力下,它們製造出一台專門用於NFW 的機器,能夠持續的生產出數十米的紗布。「真正需要成本的只有 NFW 過程中所需的離子液體」海軍學院總司令 David P. Durkin 說:「它們雖然昂貴,卻是非常優異的替代有機溶劑,因為它們不會揮發,甚至可以在水中重建,進而回收」,Durkin 認為,如果NFW技術被規模化,那麼離子液體的成本將會是一項關鍵因素

電力供給效能尚待解決

針織毛毛

在現有技術下,能量儲存紡織品的所能供給的電力其實並不多,像智慧手機等行動產品可能都不敷使用,但還是有許多其他應用可以受惠於這類紡織品。(圖片來源:撰稿團隊)

在現有技術下,能量儲存紡織品的所能供給的電力其實並不多,像智慧手機等行動產品可能都不敷使用,但還是有許多其他應用可以受惠於這類紡織品。卓克斯大學博士生 Kristy Jost 解釋道,現在市面上有越來越多的電子紡織品,但多數產品仍需藉由固體電池來提供電力,針對此點,她致力於儲能紡織品的研發,最終目標是希望生產出一種能量儲存裝置,能夠驅動相關電子產品,像是針織感測器、低功率的通信設備等。
相較智慧手錶、手環等較為 High-Tech 的產品,智慧衣則 High-Touch 多了,不但能夠真正「穿」在身上,也能提供更準確的生理數值。在娛樂價值上,模特兒與藝人也能穿著智慧衣,在表演時展現更多炫麗的特效,增加娛樂效果。只要能夠解決電力供應的缺點,相信在 2016 年達成兩千六百萬件的市場規模絕對不是問題。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威
審校:陳妤寧

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