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新多孔聚合物是一種威力強大的超級電容

only-perception
・2011/09/03 ・849字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

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 對未來的電動車、強大的筆電以及其他可攜式裝置而言,我們需要新一代能源儲存材料,那比當前的可充電式電池更適合現代的需求。已知符合此需求的最佳材料是超級電容(supercapacitors)。一個由日本岡崎市,自然科學研究機構(National Institutes of Natural Sciences,NINS) 的 Dinglin Jiang 所領導的團隊,現在在 Angewandte Chemie 期刊中介紹一種新材料,具優異的超級電容特性。

零排放的電動車適合在市內到處開;然而,對於長途駕駛來說,事情並非如此。問題根源於只能儲存少量的能源,在需要重新充電之前所能涵蓋的(行駛)距離不遠,那限制車輛的速度與加速。超級電容能夠克服這些挑戰,因為它們結合早期電容器與電池的優點:如同一個電容器,它們能依需傳遞高電流密度,又像個電池可儲存大量電能。

超級電容的運作時是透過一種與可充電式電池不一樣的電荷儲存原理,以及電極上之電化學雙層的組成,電極則被電解質浸濕。當施加一電壓時,電荷相反的離子聚集在電極二端,形成非常薄的(wafer-thin)固定化電荷載體區(zones of immobilized charge carriers)。相較於電池,那只有電荷的移動,並沒有發生化學變化。適合超級電容的材料百百種,不過真正完美的材料目前仍未被發現。在日本的研究者,沿著這條路線,到達一個重要的里程碑。

這裡有種材料,具有趣的特性:特殊的多孔、如框架般的有機聚合物。它們的雙鍵以某種方式排列,使得它們的某些電子能自由地移動,如『電子雲』般延伸到超過框架之外的區域。這樣的材料因而能導電。在孔內,有大的內表面積(inner surface area)對於靜電電荷分離層(electrostatic charge-separation layers)的形成很重要。Jiang 以及他的團隊現在合成出一種包含氮的框架,其孔的的大小最適合讓離子快速流進流出 — 此為迅速充、放電所需。氮中心與電解質離子進行交互作用,因而有利於電荷的累積與離子的移動。

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這些互異有利特性之間的相互作用,使這種新材料具有不尋常的高電荷儲存能力以及高能量密度。Jiang 及其共同研究者能夠證明,他們的多孔框架能承受許多次充/放電循環。

資料來源:New rechargeable batteries needed: A microporous polymer is an unusually powerful supercapacitor [August 23, 2011]

原發表於 Only Perception

文章難易度
only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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針織式超級電容器,在智慧衣裡儲存電力
PanSci_96
・2016/03/12 ・1930字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

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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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超乎想像的織物!當紡織與電子科技融合:智慧儲能與發光系統
創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/03/23 ・1718字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

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文\王昱夫

能源和環境無疑是近年來大家最關注的話題之一,電動車更是其中常常被拿出來討論的選項,然而,這類電力產品長久以來無法普及的ㄧ大困難點,就在於充電時間太長,想像一部車開進充電站,卻要花上半小時時間充飽電才能再上路(而且還沒辦法像用油一樣開那麼遠,很快又得找站充電),簡直讓人受不了。針對這樣的問題,紡織產業綜合研究所開發的「超級電容」,不但能夠滿足快速充放電的需求,更可以和紡織技術結合,開創出全新的市場!

紡織所開發的「織物超級電容」,曾在2011年榮獲R&D100大獎(此獎項素有「產業創新奧斯卡獎的美譽」)。其特色在於具備高度柔軟性(可180度折疊)、高穩定度、長壽命、快充快放及大容量,可以有效與自行車發電系統、太陽能電池做結合,成為高度生活化且應用性高的產品。

織物超級電容為什麼可以擁有這麼多優異的性質呢?其最創新之處便在於它使用了紡織材料作為電容的基材!是的,你沒看錯,是紡織材料!捨棄了以往電子材料總是硬梆梆的刻板印象,研究團隊採用了柔軟可撓的紡織物支撐整個電容結構,於其中灌注特定比例的電解質溶液後加以真空封裝,做成這片厲害的超級電容。也由於是使用紡織品材料,整片電容就像衣服一樣,可以隨意的扭曲、搓揉,當筆者親手拿著它把玩!簡直難以想像傳統的電子元件竟然能以如此特別的型態被製造出來!

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紡織所沈乾龍組長向我們介紹LED紗線的構想。
紡織所沈乾龍組長向我們介紹LED紗線的構想。

「我們採用紡織材料來做,就是因為它具有好的可撓性和多孔性結構」受訪的蔡副組長向我們解釋道。有了好的可撓性這項產品的應用便不受限於傳統的空間限制,可以把它彎曲、塞在很小的空間內,或是放在背包、衣物這種需要高柔軟性的物品上,與穿戴式裝置做結合。除了可撓這項大特色之外,織物超級電容比起傳統的電容在性能上更絲毫不遜色!它的充放電速度接近傳統電池的100倍,同時,它比起一般電容,不但漏電速度慢,其壽命甚至可以經歷將近10萬次重複充放電(普通電池充放電壽命約300~500次)!這些特點結合起來,未來或許就能與前面提到的電動車輛做結合,達成快速充放電電力車的願景。

紡織所蔡杰燊副組長。
紡織所蔡杰燊副組長。

在應用面上,紡織產業綜合研究所也研發了特殊的LED紗線作為目前市場化供應的第一步。LED紗線和傳統的LED不一樣,也是強調「以紡織材料為主體」的產品,透過高度技術織造,具備比起傳統電線更高的承重力,也可以像一般衣物一樣耐水洗;值得一提的是,紡織所開發的這款LED紗線不像一般的LED燈有方向性(只有一個方向發光),360度全方位可發光,不論從哪端看都可以看到亮光!而且,紗線本身材質的導光效能也很好,可以讓整條線均勻發光,提高其應用性。

織物超級電容是由織品為基材,加入電解質之後封裝而成。
織物超級電容是由織品為基材,加入電解質之後封裝而成。

從產品端來看,目前織物超級電容已應用於自行車與太陽能供電裝置:由於這類發電來源其供電量往往不穩定(人踩的速度不可能一直固定嘛@@太陽也不會一直在頭頂~),如果直接把發的電接到要使用電的裝置上(像是車燈或手機充電裝置),效果可能不好(燈一下暗一下亮)或甚至會損傷器材(手機壞掉),所以這時候,就輪到超級電容出馬了!發揮它快速充電的特點,在發電時快速將電力儲存於電容內,再以固定的輸出量供電給要使用的裝置,達到好的電力運用(智慧儲能的概念啊!)。LED紗線則是可以運用在安全警示,與智慧型穿戴裝置做結合,結合這兩項技術,說不定未來,能夠像「布」一樣隨身攜帶的螢幕,也不再是天馬行空了呢!

LED紗線。
LED紗線。

33_01代表照

紡織業以往被大家視為傳統產業,很難和最新科技這類的詞彙聯想在一起,然而,紡織所開發的智慧型儲能及發光織品,卻讓我們都著實大吃了一驚!紡織如此柔軟的材料,在與電子科技結合後,開創出了新的ㄧ片藍海!

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團隊照
紡織產業綜合研究所研究團隊。

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創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
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由 19 個國家級產業科技研發機構,聯手發表「創新科技專案」超過 80 項研發成果。手法結合狂想與探索,包括高度感官互動的主題式「奇想樂園」區,以及分享科技新知與願景的「解密寶藏」區。驚奇、專業與創新,激發您對未來的想像與憧憬!