美國研究人員最近研發出一種可以在極大應力與震動下運作的固態超級電容(supercapacitor)。與其他傳統的超級電容相比，這個新設計在受到應力時並不會分裂為許多細層，因此較具實際應用潛力，除了做為效率更高的電容，也可用來儲存再生能源。 相較於電池透過化學反應來充放電，超級電容利用多孔隙電極的表面吸附帶電離子來存儲電能，由於離子的移動速度快，因此能進行快速充放電，使用壽命也高達百萬次以上。超級電容雖然在速度與壽命都遠勝過電池，但它的缺點是儲能容量不高，體積與重量都遠大於相同容量的鋰電池。 要克服上述限制，超級電容除了要能儲存能量外，結構也必需要優化。將不同的靜負載(dead weight)結構材料對摺，在不需另外提供內部電源的條件下，就能得到一個快速充電且持續性長的超級電容。結構型超級電容的概念有很多潛在應用，例如筆記型電腦或快速充電的電動車。此時結構型超級電容必須在相當大的應力與震動下運作，傳統的超級電容在這類環境中電極或電解液往往會產生分離現象。
為了有效解決此問題，范德堡大學(Vanderbilt University)的Cary Pint帶領的研究團隊，設計出一個具有較佳結構的超級電容，其電極是矽晶圓經由電化學蝕刻而成，故表面具有許多奈米級的小孔。他們將孔洞鍍上一層保護性的超薄碳材料，再利用真空壓縮將離子導電聚合物黏上，電解液會滲入矽的奈米孔洞內，形成很強的機械接合(mechanical bond)，因此不易受外力影響而分離。 超級電容的能量密度高達10 Wh/kg，即使在 44 psi的應力與震動加速度高於80 g的嚴苛條件下，超級電容仍可正常運作。先前已有不少使用碳纖維的結構型超級電容器研究，但Pint等人的設計能夠儲存的電荷量比一般商用的超級電容器高了3~4個數量級。Pint指出即便在有壓力、剪力、張力拉伸，高振動與衝擊力的條件下，這個新設計的超級電容器在性能絲毫不受影響。由於製作程序比傳統超級電容器簡單，加上元件材料便宜，整體生產成本相當低。更重要的是，超級電容的組成都是使用生態友善(bio-friendly)且不可燃的物質，因此沒有鋰電池的某些安全疑慮。 賓州卓克索大學(Drexel University)的奈米材料專家Vadym Mochalin表示，這項研究對於如何在大面積的電化學儲能系統上建立強固的電極有很好的貢獻。這個概念有助於激發在鋰電池、微型超級電容晶片、感測器與其他元件領域的類似設計。詳見Nano Letters, 14, 3197-3202 (2014) | DOI: 10.1021/nl500531r。 |