為奈米設備充電的裝置在美問世

美國萊斯大學在儲能設備微型化研究方面取得新進展，開發出兩款微型的充電裝置，一種是薄膜式超級電容器，另一種是可充放電的奈米線，有望為將來的微型電子產品和奈米設備提供電源。這兩項研究分別發表在近期《自然•奈米技術》網站和《奈米快報》上。


    “雖然我們還很難推測這些供電器能給什麼樣的設備供電，隨著奈米電子設備的發展，要求使用越來越小的電源，比如一些MEMS（微型機電系統）。中等設備有時也需要這些材料來供電，這種小型充電裝置很有前景。”萊斯大學樸利克•阿加延說。

    “很多人多年來一直在研究氧化石墨（GO），我們發現了氧化石墨能形成離子傳導膜這一根本機制，而這在我們的薄膜電容器中非常關鍵。”阿加延解釋說，當氧化石墨與水結合時能形成一種離子導體，容納離子並作為一種固態的電解質和電絕緣層。氧化石墨能像海綿一樣吸水，可容納自身重量16%的水。“由此我們能把一薄層氧化石墨變成超級電容而無需添加任何東西，所要做的只是給電池制作圖案和添加電極，而且這種裝置還能用于外加電解液。”

    激光產生的熱量能將氧化石墨表面的氧吸出，使其變成可導電的還原氧化石墨（RGO），因此通過激光刻寫技術，能把一薄層還原氧化石墨覆蓋在氧化石墨上，並用絕緣的氧化石墨把導電的還原氧化石墨隔開，將其變成獨立式超級電容器，能循環充放電數千次。經測試，這種薄膜電容展現了良好的電化性能，且不會產生化學副產物。

    而可充放電的奈米線是一種混合型的電化裝置，陽極是鎳—錫（Ni-Sn），陰極是聚苯胺（PANI），結合了高能電池和超級電容器的優點。“它把陽極、陰極和電解質等關鍵組件都整合在一根奈米線上，這種充電設備代表了微型化的終極形式。”阿加延說，“隨著奈米技術和制造技術的進步，各種功能性奈米線將成為未來奈米技術應用領域的基本建材。”

    這些奈米線還能排成陣列提高供電能力。研究人員制作了一種模板，模板上有許多直徑約200奈米的小孔，並給這些孔鍍上一層銅膜；然後把鎳—錫陽極嵌進去一半深度，再用化學方法將小孔擴大，給鎳—錫涂上一薄層氧化聚乙烯（PEO）作為隔離層；最後用滲濾工藝將聚苯胺陰極接入小孔另一半。奈米線只有幾微米長，整個設備加起來不過0.5平方厘米大小。多個這種裝置還可以並聯，經過反復充放電測試，證明其性能良好，是一種很有前景的奈米電源設備。

    研究人員還指出，在一根奈米線上制造功能完備的供電設備，有助於研究奈米尺度下的電化作用，提高電池性能，最終開發出的單根奈米線電池將能給一些奈米線半導體設備供電。


科技日報 2011/08/09 常麗君

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