透過纖維素多孔膜以及奈米碳管美國RPI學院開發出薄如紙的電容器及電池

 

刊登日期:2007/9/5
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美國紐約州工科大學的倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute;RPI),成功地將纖維素(Cellulose)與奈米碳管組成,開發出電雙層電容器與鋰離子充電電池。厚度相當於頭髮粗細僅數十微米,並可像紙一樣彎曲。RPI的研究人員認為,「將來應可以Roll-to Roll印刷技術製造電池」。詳細技術資料發表於2007年8月21日「Proceedings of the National Academy of Sciences」。

RPI的開發成果如下:(1)使多層奈米碳管形成刷子形狀;以纖維素為主要成分形成纖維素膜;(2)利用兩片纖維素膜製成電雙層電容器;(3)利用1片纖維素膜和鋰電極製成鋰離子充電電池。

纖維素膜為多孔膜,需要滲入重量比最大為25%的離子液體等(RTIL:room-temperature ionic liquid)——[Bmin][Cl](1-butyl,3-methylimidazolium chloride)。RPI將兩片該薄膜貼合,使多層奈米碳管刷朝外貼合,然後在外側形成鈦金(Ti/Au)膜作為電極,製成電雙層電容器。另一方面,鋰離子充電電池則是把一片薄膜與鋰電極貼合,中間夾入六氟磷酸鋰(LiPF6)的電解液代替離子液體,外側貼附鋁箔電極。兩種元件的製造方法均未公開。 電雙層電容器使用的[Bmin][Cl]離子液體具有不揮發性,能夠在較大的溫度範圍內保持穩定。這種離子液體能夠通過纖維素膜上50±5nm直徑的孔與電荷接觸。


在冷凍庫內和體內均可工作
電雙層電容器的性能如下:靜電容量為22F/g,最大工作電壓為2.3V,能量密度約為13Wh/kg,容量達到了現有電雙層電容器的水準。單位面積重量僅為15mg/cm2, 非常輕,而且由於[Bmin][Cl]不含水分,因此該元件的工作溫度範圍非常大,達到了-77~+150℃。該元件在溫度降至-196℃時雖然無法動作,但溫度回升後可完全恢復功能。RPI目前已證實,該元件反覆充放電100次以上,依然可維持良好的特性。 RPI表示除了離子液體外,該元件使用氫氧化鉀(KOH)水溶液以及人類的血液、汗、尿等體液作為電解液也可獲得相同的工作性能。因此還有望用作體內的心律調整器等儀器的電池。

有望可實現電容器與充電電池的混合型元件
鋰電池在充電時的最大電壓為3.6V,以10mA/g的固定輸出功率放電。電池容量在第一次充電時最大可達430mAh/g,但第2次充電後會降至110mAh/g以下。 今後,RPI計劃製造結合電雙層電容器和鋰電池的混合型元件。該元件估計將成為“能夠同時發揮電容器與充電電池二者特性的完全混合型”。



圖:
長有多層奈米碳管的纖維素膜


資料來源: http://210.64.8.60/china/news/news/elec200708200130.html
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