卓克索大学 ( Drexel University) 一班研究人员最近创造了一种布料般的电极，可以让储能元件──电池与超级电容──速度更快并且不容易漏液或熔毁，提供了一个含可燃电解液电容以外的替代方案。
电池和电容中的电解液可能具腐蚀性或是有毒，并且几乎都可燃，为了搭配行动装置，设计储能元件时便受到尺寸上的限制，却也同时使之容易短路，若再加上可燃电解液，便存在着爆炸风险，如同先前三星的 Galaxy Note 电池所发生的意外。
电容与电池相仿，它们可以储存与释放电能，但是在应用上与长时间放电的电池不同，电容因为可以在短时间内放电而通常作为备用电源。而两者都会使用可燃电解液，所以都要防止漏液与靠近火源。
我们也推荐 奈米「超级电容」让手机数秒内完成充电 摆脱可燃物这种由卓克索工学院的菲巴．卡欧拉 ( Vibha Kalra ) 博士与其团队设计的电容，使用了吸附在多孔奈米炭纤维 ( carbon nanofiber ) 上的胶状电解质而非可燃电解液。这个团队包含了卡欧拉的博士研究生赛拉斯．希摩托 ( Silas Simotwo ) 和天普大学 ( Temple University ) 的两位博士斯蒂芬妮．旺德 ( Stephanie L.Wunder ) 和帕拉梅斯瓦拉．清南 ( Parameswara Chinnam )，他们今年九月在化学学会 ( American Chemical Society ) 的期刊《应用材料与介面》( Applied Materials and Interfaces ) 上发表这个｢无溶剂固态电容｣的新设计。
该团队的电容不仅是无溶剂──代表不含可燃电解液，紧緻的设计让它更耐用，而容量与可充放电次数都胜过目前的电容，并且能够在摄氏300度下运作，也就是说大幅降低让行动装置着火的可能。
｢我们完全消除了元件中会着火的部分，与此同时也创造了让储能元件更轻更好的电极。为了容许工业级的电极厚度与负载，我们开发了由奈米碳纤维製成的布质电极，提供一个容易注入电解质前体 ( precursor ) 的三维开孔结构。同时这样的电极没有会造成绝缘与降低效能的接合剂。｣卡欧拉说。
要製作这样耐用元件的关键是一个纤维般的电极骨架，其需要透过静电纺丝( electrospinning )製成。该製程是将含碳前体聚合物的溶液在旋转的电场中沉积成一个片状纤维，在微观尺度下看起来会有点像是製作棉花糖。接着将离子凝胶( ionogel )吸附在碳纤维垫子上来完成完整的电极与电解质通路，这种可以让电极与电解质有很大接触表面积的独特结合方式也是它能有绝佳表现的原因。
我们也推荐 未来的无线充电，只需连接 WiFi 般简单 提升效能如果将储能元件比喻为一碗玉米片，那么实际发生储能的位置大约是在玉米片与牛奶接触的地方，科学家称之为｢电双层｣( electrical double layer )，是导电性电极碰上带电荷的电解质的位置。理想上每片玉米片都会浸泡在牛奶中，但有时玉米片堆叠太密而牛奶──这个比喻中对应电解液的部分──无法均匀湿润每片玉米片，有些太乾，有些太湿，如同电解液中的电子碰不到电极，让储存能量的效果较差。
卡欧拉研发的固态电容像是一碗碎麦片而不是玉米片，鬆散间隙让牛奶可以渗透与包覆麦片，如同离子凝胶渗透电容中的碳纤维垫一样，这个纤维垫提供了凝胶中离子广大的表面积接触电极，提升了储能的容量与表现，也消除了构筑实体电极所需要，却无法帮助储能又增加重量的支架性材料。
｢目前的製作电极技术是将粉末与接合剂混和成浆状，再用在元件上，这些接合剂因为不是导体，仅单纯增加重量，且实际上阻碍了它的效能。我们的电极无须支撑，所以不需要使用佔了电极製作成本 20% 的接合剂。｣卡欧拉说。
卡欧拉团队的下一步将会是把这份技术用在製作固态电池上，同时探索这种智慧布料的更多用途。
参考资料：
Researchers develop solid-state, free-standing carbon nanofiber supercapacitor. (2017, September 20). Retrieved November 22, 2017. Simotwo, S. K., Chinnam, P. R., Wunder, S. L., & Kalra, V. (2017). Highly Durable, Self-Standing Solid-State Supercapacitor Based on an Ionic Liquid-Rich Ionogel and Porous Carbon Nanofiber Electrodes. ACS Applied Materials & Interfaces, 9(39), 33749-33757. doi:10.1021/acsami.7b07479