美國科學家最近利用氧化鉭(tantalum oxide)奈米管及鍍上碳洋蔥(carbon onion)的氧化鐵奈米微粒，組成具3D奈米結構的薄膜電極。這種薄膜同時具有鋰離子電池及超級電容的優點，因此可能很適合次世代的複合能源儲存應用，例如可穿戴的智能衣(smart textiles)等。 對可攜式電子產品而言，電化學式的能量儲存裝置如鋰離子電池(LIB)和電化學式超級電容(EC)是目前最佳的充電選擇。若能將這兩種裝置整合成一個多功能電極，同時具有鋰電池的高能量密度與高容量，以及超級電容器的高功率密度特性，那就再好不過了。電容可以儲存電荷，而超級電容由於有電解液和電極兩種介面，能儲存的電荷遠遠勝過一般電容。 目前科學家研究應用在LIB與EC的材料主要是奈米碳管及石墨烯奈米帶等碳材，然而這兩種材料並不理想，因為碳用於LIB時理論儲存容量只有370 mAh/g，用於EC時則不到150 F/g。過渡金屬氧化物如氧化鐵(Fe2O3)相對具有較高的存儲容量(LIB為1005 mAh/g，EC為1340 F/g)，但在電池充放電過程會有體積膨脹或收縮過多的問題，限制了它的應用，此外，多數的過渡金屬氧化物還有導電性差的缺點。 為了限制體積變化與提昇導電率，萊斯大學(Rice University)的James Tour等人使用由許多同心石墨殼狀結構組成的碳洋蔥，來鈍化氧化物的特性。該團隊利用氧化鉭奈米管來製作電極，並在奈米管表面鍍上包覆了碳洋蔥的Fe2O3奈米微粒。碳洋蔥層作為微電極將兩種金屬氧化物區隔開，並與奈米碳管組3D三明治結構，在兩種氧化物的邊界會形成空間電荷層(space-charge layers)，由於電荷分離的關係便能儲存更多能量。 3D奈米結構薄膜應用在LIB具有極佳的體積電容量(800 mAh/cm3)，電容值也超過18 mF/cm2。該團隊表示，這種同時整合鋰電池與超級電容應用的電極，可以做為下一代混合能源儲存與傳遞。對鋰電池與超級電容而言，氧化鉭奈米管與鍍碳的氧化鐵奈米微粒的電化學活性高，兩者組成的電極不僅功能多且效果也比只用氧化鉭奈米管好。 根據研究團隊表示，這個元件可以應用到穿戴能源裝置如智能衣，可能也會是理想的空氣電池應用。詳見ACS Nano | DOI: 10.1021/nn502341x。 |