超级电容器的论文

【嵌牛导读】 ：现在已经步入智能机的时代，相比以前的手机，现在的智能机屏幕大、功能多，但是电量始终是个大问题，电池续航能力不行、寿命短，怎么办呢？黑科技新型超级电容器，让手机瞬间满电。 【嵌牛鼻子】 ：超级电容器、手机、快速充电 【嵌牛提问】 ：超级电容器性能如何？能如何运用？ 【嵌牛正文】 ：         美国范德比尔特的研究人员表示，他们已经首次成功打造出具有超级电容器这项技术的功能健全的原型机。其中一名研究人员卡里-宾特说：“据我们所知，这些装置首次证明了我们可以制造一种能在储存和释放大量电流的同时，又能经受住振动或冲击等现实存在的静载荷和动力考验的材料。”宾特和安德鲁-威斯多弗研制的这种新装置是一种超级电容器，它储存电流的方式是通过让带电离子聚集到多孔材料表面，而非像现在的电池一样通过化学反应储存这些离子。因此这些超级电容器能在几分钟内储满电，并不需要几小时，而且它能循环使用数百万次，并不像现在的电池一样只能使用数千次。         宾特说：“当你能把能量与建设系统的成分结合在一起时，它就打开了科技可能性的全新世界的大门。突然间，以健康、娱乐、 旅行 和社交为基础设计的科技产品的能力，将不再受到插座和外部电源的限制。”超级电容器只储存比当前电池少10倍的电量，但是它们的续航时间却比后者长一千倍，这意味着可以把它们建在墙体和汽车底盘里。他说：“当你把电能储存在需要结构整体性的重型材料里时，电池的性能指标会发生变化。超级电容器储存的电能比当前使用的锂离子电池少10倍，但是它们的续航时间却比后者长一千倍，也就是说它们更适合于结构应用。如果它们很快就会失去作用，每隔几年就需要更换一次，把它们当做建设住宅、汽车底盘或者飞行器的材料就没有什么意义了。”         宾特和威斯多弗发表在在线杂志《纳米快报(NanoLetters)》上的一篇论文中称，他们的新结构的超级电容器在压强高达44磅/平方英尺(约合6千帕)和振动加速度超过80g(比喷气发动机涡轮叶片承受的压力和振动明显更大)的环境下，在储藏电荷和释放电荷方面的操作堪称完美。此外，该装置的机械强度并不会影响它的电能储存能力。宾特说：“我们的超级电容器在未被拆封、结构完整的情况下，能储存更多电能，而且与已拆封的、现货供应的商用超级电容器相比，它能在更高的电压下正常运行，并且在强烈的动态和静态压力下也不例外。”         目前OPPO的VOOC闪充是大家所熟知的手机快速充电的技术，VOOC闪充创新性改变电路拓扑结构，降低温度，同时首次打造从适配器到接口再到手机的全端式五重防护技术，将最快充电速度提升四倍以上。其本质上并没有在传统充电方式上做出改变，而超级电容器是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量的。         超级电容器利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电 ，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。与利用化学反应的蓄电池不同，超级电容器的充放电过程始终是物理过程。        由于其充电技术不同，超级电容器具备了以下特点： 1、充电速度快，充电 10 秒 ~10 分钟可达到其额定容量的 95 %以上； 2、循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达 1~50 万次； 3、能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率 ≥ 90% ； 4、功率密度高，可达 300W/KG~5000W/KG ，相当于电池的 5~10 倍； 5、产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源； 6、安全系数高，长期使用免维护； 7、超低温特性好，可工作于零下 30 ℃ 的环境中； 这些特点可以说特别适合目前的智能手机，充电速度、使用时间、体积、安全性和低温时的工作状态，几乎能够弥补现在智能机电池的所有缺陷。期待其大规模生产并运用的那一天的到来，那时智能手机会迈出的一大步。

作者 | 张晴丹

你能想象0.2克的“绳子”可以提起5公斤重的物体吗？

没开玩笑，这是科研人员创造出的一种力学性能惊人的新材料。它不但具有很好的拉伸性能，拉伸长度能达600%，而且还非常坚韧。

近日，美国北卡罗来纳州立大学Dickey实验室博士后王美香以第一作者的身份，在Nature Materials上发表论文，介绍了这款新材料。它属于离子液体凝胶的一种，在抗拉伸性能和韧性上创造了这类材料的最高纪录，也展现出比水凝胶更广阔的应用前景。

评审专家之一、麻省理工学院教授赵选贺认为，“这些透明的离子液体凝胶具有非常坚韧的机械性能，而且最大的亮点是制作简单，易于使用。”

1+1 10，凝胶界的“佼佼者”

“通常凝胶的机械性能很弱，比如豆腐。但在自然界中也有例外，比如人体内的软骨。一些研究人员一直在努力制造坚韧的凝胶，这启发了我们。”论文共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学Dickey实验室负责人Michael D. Dickey告诉《中国科学报》。

此次创造出的离子液体凝胶含有超过60%的离子液体，主要包含丙烯酸和丙烯酰胺两种物质，前者是用于婴儿尿不湿吸水的主要材料，后者是用于隐形眼镜的主要材料。最后，混合材料兼具了聚丙烯酰胺和聚丙烯酸离子液体凝胶的优点，实现了1+1 10的效果。

王美香介绍，新材料透明度达90%以上，其内部的聚合物网络微结构使凝胶拥有极高的力学性能，可拉伸而且非常坚韧。拉伸的长度能达600%，模量有约50个兆帕，断裂强度约有13个兆帕。这是目前离子液体凝胶界的最高纪录。

论文中展示的是用0.2克的离子液体凝胶材料，轻松提起1公斤重量的物体。事实上提起5公斤的重量也不在话下，但因实验室没有5公斤的标准件，他们后来用5公斤的水桶做了实验，材料本身不会有任何破损。

离子液体这个溶剂本身不挥发，且具有很高的热稳定性和导电性。因此，创造出的这款离子液体凝胶具有广阔的应用前景。“可用于电池、传感器、3D打印、致动器和柔性电子设备等。”Michael D. Dickey说。

可穿戴柔性电子器件是当下科学研究的热门之一，要同时满足可弯折、扭曲、拉伸等需求，所以对材料的要求极高。以往做展示用的较多的是传统柔性材料——水凝胶，但水凝胶稳定性是个大问题，长期暴露在空气中会导致水分蒸发、性能受损。

“离子液体凝胶完全可以替代水凝胶在可穿戴柔性电子器件上的应用。首先它很稳定不挥发，不需要任何包覆；其次具有高导电性，不需要额外添加导电介质；可穿戴设备往往需要大变形，离子液体凝胶还可以用来开发应变传感器。”王美香说，“还有一点，它具有自愈合和形状记忆的特性。”

一步法轻松做成

长期以来，在凝胶材料领域最火的，非水凝胶莫属。

实际上，水凝胶在生活中已相当常见。比如，隐形眼镜、果冻、龟苓膏等都是水凝胶的“产物”。自62年前水凝胶横空出世，科研人员便绞尽脑汁地挖掘其力学性能，涌现了无数重大成果。

但同为凝胶材料，离子液体凝胶领域的研究则发展较慢。例如力学性能研究还是一块空白，很难把它的力学性能做到与高强度水凝胶相媲美的程度。

在这篇论文发表之前，合成高强度离子液体凝胶的方法并不易。为了提高材料的力学性能，一些研究人员采用多步法或者溶剂交换，整个过程耗时长、成本高，而且浪费资源。

挑战不可能，这是科研工作者骨子里的基因，恰好离子液体这个溶剂的“72般变化”也让王美香着迷。

“顾名思义，水凝胶用的溶剂只有一种，就是水，而离子液体凝胶用的溶剂是离子液体，有成千上万种，这正是它的魅力所在。”王美香对《中国科学报》说。离子液体在室温下是一种液态的熔融盐，里面含有正离子和负离子，只要熔融盐里的正负离子不一样，就可以实现离子液体的千变万化。

研究选材是从聚丙烯酸和聚丙烯酰胺的单体开始。

最初，王美香把两种材料分开来做。当把丙烯酰胺融到离子液体后，产生的凝胶跟她预想的完全不一样，不透明、发白，就像晒干的面条一样特别脆，一碰就断。随后她又试了丙烯酸，做出来的凝胶则超级软，透明度达到百分百。

完全就是两种极端！这让她无比兴奋，如果把三者混在一起，会擦出什么样的火花呢？

“把丙烯酰胺和丙烯酸融到离子液体里，再加入引发剂和交联剂，然后混匀，用高功率紫外灯照射，3分钟就能制作出论文中这种新型混合材料。”王美香说，“就是这么简单。”

一步法就这样诞生了！它为离子液体凝胶研究开启了新世界的大门。

为实验蓄能，把理论变为现实

王美香在西安交通大学读博期间，就一直从事水凝胶研究。但她看到了离子液体凝胶材料的巨大潜力，因此萌生了调整研究方向的想法。

2018年12月，王美香从西安交通大学获得材料科学与工程博士学位后，进入北卡罗来纳州立大学Dickey实验室做博士后，主要致力于高机械性能凝胶材料的设计和制备，以及研究其在可穿戴柔性电子器件、全固态电池以及超级电容器、传感器和驱动器等领域的应用。

在新的平台，王美香也顺利转换到新赛道，开始离子液体凝胶材料研究。

但是，王美香刚进入北卡罗来纳州立大学，新冠疫情就来了，一下打乱了研究计划，学校封闭，无法进入实验室。

她便利用这段时间查阅文献，为实验蓄能。在家“闭关”三个月后，终于等来复工的消息。王美香便一头扎进实验里，每天在实验室待八个小时，把实验过程中看到的现象记录下来，晚上回家查资料来分析这些现象的成因。

幸运的是，这项工作从始至终都比较顺利，这篇论文投给期刊也很快被接收。并且，评审专家都对该成果给了很高的评价。

“接下来，我们将会做应用方面的拓展，想把离子液体凝胶与3D打印技术相结合，用于开发新型柔性机器人。”王美香说。

参与这项研究的一共有9位作者，其中华人学者就有4位。除了王美香，另外3位分别是论文共同通讯作者、西安交通大学教授胡建，西安交通大学硕士生张鹏尧，以及美国内布拉斯加州大学林肯分校研究助理教授钱文。