新微型超级电容器:比一粒尘埃还小,电压跟AAA电池旗鼓相当

2021年08月24日 14:38 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

据外媒报道,近日,德国科学家通过将微型化电子技术跟折纸技术相结合研制出了他们所称的目前最小的微型超级电容器。这款突破性的储能设备比一粒灰尘还小,但电压跟AAA电池相似,这不仅对人体安全而且还能利用血液中的关键成分来增强其性能。

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研发这种新设备的科学家们正在纳米超级电容器(nBSC)领域进行研究,nBSC是一种被缩小到亚毫米级别的传统电容器。开发该类型设备相当棘手,但研究人员试图制造出一种可以在人体中安全工作的设备从而为微型传感器和植入物提供动力,这需要将有问题的材料和腐蚀性电解质替换为生物相容性的材料。

据悉,这种设备被称为生物超级电容器,虽然迄今为止开发的最小的设备体力大小超过3mm3,但科学家们在该电容器的小型化方面取得了巨大的进步。首先是一堆聚合物层,这些聚合物层中间夹着一层光敏的光阻材料--作为电流收集器、一层隔膜和电极,电极是由一种名为PEDOT:PSS的导电生物相容性聚合物制成。

这种聚合物层被放置在薄片表面上,通过高机械张力使得不同的层以高度可控的方式分离,另外还能折叠成折纸式的纳米生物超级电容器--体积为0.001mm3,所占空间比一粒灰尘还小。因此,这些管状生物超级电容器比之前开发的小3000倍,但功率水平跟AAA电池的电压大致相同。

这些微型设备随后被放置在盐水、血浆和血液中,在那里它们展示了成功储存能量的能力。事实证明,这种生物超级电容器在血液中特别有效,在16小时的操作后,它能保留70%的容量。血液可能是该团队生物超级电容器合适的家的另一个原因是,该设备能跟固有的氧化还原酶反应和溶液中的活细胞一起工作,并对自身的电荷存储反应进行超级充电从而将其性能提高了40%。

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该团队还将设备置于微流体通道中--有点像空气动力学的风洞测试--,使其承受可能在流动和压力波动的血管中感受到的力。此外,他们还使用了三个连接在一起的设备并成功地为一个微小的pH传感器供电,该传感器可以放置在血管中测量pH值并检测可能预示疾病的异常情况如肿瘤生长。

研究小组负责人Oliver G. Schmidt说道:“看到新的、极其灵活的、自适应的微电子技术是如何使其进入生物系统的微型化世界是一件非常令人鼓舞的事情。”

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