能量纸：轻薄的能源储备

by David Biello
原文来自科学美国人2007.8.14
translated by Sunforever

通过给碳纳米管包裹纤维素，研究人员已经发明了一种有弹性的，跟纸一样薄的能源。

纸能成为未来电子产品的能源吗？就像塑料掀起了日用品制造业的一场革命一样，一种由纤维素，碳纳米管，和少量液体盐组成的新型能源也许会改变电子制品——从iPhone到起搏器——背后的能源格局。

“我们制作了一个纸电池，超级电容器和电池电容组成的混合装置，它有非常多样的储能应用，”伦斯勒理工学院（R.P.I.)的生化工程师Robert Linhardt说，他领导的团队做出了这一发现。“这些装置轻薄而有弹性，主要由纤维素纸组成——一种环境友好并且生物相容性优良的材料。”

这是R.P.I.三所实验室——生物聚合物实验室，纳米管实验室和电子实验室之间的一个合作项目。能量纸的工作原理是利用纤维素分开对齐后的碳纳米管作为电极。纳米管是主干，而纤维素溶解在电介质中——在传统电池中扮演这个角色的是硫酸，但在这里一种室温下的离子液（也被称作液体盐）——被倾倒在它周围。等干燥以后，一张薄薄的“纳米复合纸”就诞生了。它“可以从任何角度被卷曲，扭曲，弯折，”研究人员在《美国科学院院刊》中写到。

除了优良的弹性，这种纸电池还能被切割，折叠并且能在广泛的温度环境下工作——从华氏100度到350度（而不会燃烧起火）。而且，根据这种纸的制造过程，它还能作为电池，超级电容器（一种有显著效果的储能装置，可以在瞬间传递巨大的能量）或者两者皆有。分离的带有纤维素的碳纳米管产生了黑色的纸，是具有良好商业品质的超级电容器，团队的报告指出，然而，从一层锂上分离出的碳纳米管则构成了一种长效电池和两种颜色的纸：一面黑色，一面灰色。

“纳米管接触纤维素的部分在分子层面上与纸张接触，形成了大量的表面，使得这种装置能有效 地存储和释放能量，”Linhardt说。

这种能量纸还能吸收含盐的体液，比如汗或血，来发挥超级电容器的作用。“这种体液电解质的利用表明，有可能把这种装置作为一种有用的体内植入物，”Linhardt指出，“我们对这种可能的一次性心脏除颤器的潜在医学应用非常感兴趣。”

到目前为止，研究人员在超级电容器方面已经取得了每千克1.5千瓦的能量密度，并且测试了超过100次的充放电循环，当然比起当前典型的商用电容器上百万次的次数是少了一点。他们仅仅制造了一平方英寸的这种纸，但这种独特的复合结构已经减少了制造像电池电容复合装置那样的烦琐——它还在其他的装置中被用来点亮微型发光二极管。

如果这种能量薄片能像科学家希望的那样用于印刷技术，那么未来的能量可能会储存在纸上。“我们非常现实地清楚在实现这个目标的过程中会有许多无法避免的苦难，”Linhardt说，但“我们没有发现任何不可逾越的挑战。”


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