由新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)、中國(guó)清華大學(xué)以及美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)(CWRU)的科學(xué)家們組成的一支跨國(guó)研究團(tuán)隊(duì)宣稱(chēng)開(kāi)發(fā)出一種可織進(jìn)衣物中的纖維電容器，從而為可穿戴式醫(yī)療監(jiān)測(cè)器供電。

該超級(jí)電容器緊密結(jié)合由石墨烯與碳奈米管合成的纖維，因而能像一般薄膜鋰電池一樣儲(chǔ)存能量。開(kāi)發(fā)人員們認(rèn)為，在以碳為基礎(chǔ)的小尺寸超級(jí)電容器中，該元件的體積能量密度是迄今最高的──每立方毫米約6.3mA/小時(shí)。

該元件還具備比一般電池更快充電與放電的優(yōu)點(diǎn)。利用纖維結(jié)構(gòu)的混合材料提供易于利用的表面積，且具有高度導(dǎo)電性。

研究人員們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種可連續(xù)生產(chǎn)這種彈性纖維的方式，使其可為多種應(yīng)用擴(kuò)大量產(chǎn)。研究人員表示目前已經(jīng)可制造出50公尺長(zhǎng)的纖維，但在長(zhǎng)度方面并沒(méi)有限制。

科學(xué)家們預(yù)期這種纖維超級(jí)電容器可織進(jìn)服飾中，為家中的醫(yī)療電子裝置供電；或是為野外士兵的通訊裝置供電。這種纖維還可作為一種節(jié)省空間的供電來(lái)源，在醫(yī)療植入裝置中作為「能源承載導(dǎo)線(xiàn)」。

這項(xiàng)研究由NTU化學(xué)工程教授YuanChen主導(dǎo)，并與NTU的DingshanYu、KunliGoh、HongWang、LiWei與WenchaoJiang；清華大學(xué)的QiangZhang以及凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的LimingDai等科學(xué)家們共同合作；有關(guān)這項(xiàng)研究結(jié)果的論文已發(fā)表于《NatureNanotechnology》中。

美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)教授LimingDai解釋?zhuān)蟛糠莸某?jí)電容器都具有高功率密度，但能量密度低，這表示能夠快速充電并提升電力，但卻無(wú)法持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間。相反地，電池具有高能量密度但功率密度低，表示電池可維持長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，但卻無(wú)法快速提供巨大能量。

透過(guò)緊密結(jié)合由石墨烯與碳奈米管合成纖維，超級(jí)電容器可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于電池的能量?jī)?chǔ)存或能量密度。但由于需要可儲(chǔ)存能量的大量可用表面積，因而實(shí)際的能量密度仍不足。

這種纖維是經(jīng)由含氧化酸、單壁碳奈米管、氧化石墨烯與乙二胺的溶液中產(chǎn)生，并合成含氮的石墨烯液，經(jīng)過(guò)一個(gè)軟性毛細(xì)管柱進(jìn)行輸送后再加熱6個(gè)小時(shí)。約幾個(gè)原子厚度的石墨烯薄片，以及整齊排列的單壁碳奈米管自組裝成為可運(yùn)行該纖維的互連多孔網(wǎng)路。

透過(guò)這種方法，提供了大量可接觸的表面面積——每克混合纖維中約有396平方公尺可用于充電的傳輸與儲(chǔ)存。但這些材料被緊密地裝在毛細(xì)管柱中，從而在進(jìn)行輸送時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的體積能量密度。

在這一過(guò)程中使用多個(gè)毛細(xì)管柱，讓工程師們能夠持續(xù)制造出纖維，并維持一定的品質(zhì)，Chen說(shuō)。研究人員們已經(jīng)制作出長(zhǎng)達(dá)50公尺的纖維，這些纖維可維持每立方公分高達(dá)300法拉的高容量。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)其中三組串聯(lián)安排的纖維在保有同樣充電/放電時(shí)間的情況下，還可同時(shí)提高3倍電壓。

而相較于單纖維在相同電流密度作業(yè)時(shí)，三組并聯(lián)安排的纖維可使輸出電流提高3倍，以及增加3倍的充電/放電時(shí)間。當(dāng)整合兩電極間的多對(duì)纖維時(shí)，用于儲(chǔ)存電能的能力(即電容)根據(jù)所使用的纖維數(shù)量呈線(xiàn)性增加。

使用聚乙烯醇/磷酸凝膠作為電解質(zhì)時(shí)，由一組纖維制造的固態(tài)微型超級(jí)電容器提供每立方公分6.3mW/小時(shí)的體積密度，相當(dāng)于一顆4V、500mA薄膜鋰電池每小時(shí)的電量。纖維超級(jí)電容器可表現(xiàn)出超高能量密度值，并同時(shí)保持高功率密度與周期穩(wěn)定性。

「我們已經(jīng)為此纖維元件進(jìn)行10,000次充電/放電周期的測(cè)試了，它仍然能夠維持原有性能的93%，」Yu說(shuō)，「而傳統(tǒng)的充電電池甚至還達(dá)不到1,000次周期的使用壽命?！?/p>

該研究團(tuán)隊(duì)還為該元件的可撓性能量?jī)?chǔ)存性能進(jìn)行測(cè)試——使該元件經(jīng)過(guò)連續(xù)機(jī)械應(yīng)力，并評(píng)估其性能?！高@種纖維超級(jí)電容器可連續(xù)作業(yè)，而無(wú)損于其性能，甚至是經(jīng)過(guò)幾百次彎曲，」Yu說(shuō)。

據(jù)Chen表示，「因?yàn)檫@種纖維元件具有可撓性，且其長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)一致，因而還能以交錯(cuò)方式織進(jìn)衣物中，實(shí)現(xiàn)可穿戴式裝置。」

該研究團(tuán)隊(duì)并積極測(cè)試與尋找這種纖維的其他多種功能應(yīng)用，包括電池、太陽(yáng)能電池、生物燃料電池，以及用于可撓式與可穿戴式光電系統(tǒng)的感測(cè)器等。