現代社會，智能設備早已成為人們須臾不可或缺的必備品，手機、電腦、平板、電子書��在給人們工作、生活等方面帶來無與倫比的便利的同時，也為人們平添了些許煩惱。
回到家中或者到達公司，可能大多數人的第一件事便是為智能手機或者電腦充電；不少人也曾遭遇過因為手機沒電而錯失重要電話的情況。那么，如何才能保證讓智能設備時刻有充足的電量，讓“充電五分鐘，通話兩小時”不再只是一句廣告語呢？
科學家們為此絞盡腦汁。最近，來自美國佛羅里達大學（UCF）的科研團隊有了新的解決方案。
太陽能充電服
佛羅里達大學納米科學技術中心的科研人員發明了一款太陽能充電服，產生電能的光伏電池和存儲電能的電容器，都可以穿在身上。
在這項最新研究中，科研人員制備了一種條帶狀的材料，這種材料可以收集光能，然后再將光能轉換為電能，存儲在附帶的電容中。
不同于之前的研究，此次科研人員將發電層和儲能層連在一起，這樣，條帶材料和帶有超級電容器的鈣鈦礦太陽能電池便可以通過柔韌的銅帶連接在一起。銅帶除了起到連接的作用之外，還能作為直接電荷轉移的共享電極。
經過測量，研究人員發現，當柔軟的太陽能帶暴露在太陽下吸收太陽能時，鈣鈦礦太陽能電池的轉化率能達到10%。與此同時，超級電容器比電容能達到1193法拉/克（F/g），而目前市場上的超級電容器的比電容卻只在100F/g左右。
這就意味著當條帶材料的功能是太陽能電池時，它可以有效地產生電能；而當它的功能是一個超級電容器時，與普通的超級電容器相比，它能更持久地儲存能量。
為了更好地應用這種技術，研究者將目光聚焦于將其制作成服裝。實際上，之所以會想到制作太陽能充電服，據UCF納米科學技術中心副教授Jayan Thomas表示，這得益于科幻電影所帶來的靈感。而且這樣的服裝可以遠距離使用，人們再也不用為尋找充電源而發愁。
不要認為太陽能充電服只是一件普通的服裝，其實這項技術還可以在軍事上大展拳腳。“在伊拉克和阿富汗的士兵會經常在陽光下走動。其中部分士兵還要背著重量超過30磅的電池。而在一些惡劣的環境，運輸電池是一件非常困難的事情。”Thomas表示。
不過，借助這項技術并制成服飾，就可以使士兵在陽光下行走的同時，讓設備吸收太陽的能量，繼而轉化成電能存儲起來。
當然，任何一項新生技術都不會是完美的，太陽能充電服亦如此。因為相比于普通的化學電池，太陽能充電服其中的條帶材料仍存在存儲容量較小的缺陷。目前，科研人員正致力于改善這些材料在儲能極限和能量密度等方面的性能。
“秒充秒放”
使用智能設備的人都遇到過這樣的問題：經過了一段時間的使用，電池便會出現退化老化的問題，充電后續航時間越來越短，耗電越來越快。
因此，解決充電源問題只是解決了智能產品儲能難題的一個方面，提升產品自身電池的儲能性能才是根本。
長期以來，科研人員一直努力嘗試用納米材料改進超級電容器的性能，從而提升智能電子產品電池的表現，最終達到取代電池的終極目標。
鋰離子電池能量密度低導致儲能不高的問題一直令業界苦惱。于是，科研人員打算在高功率超級電容上做文章。
但是，這仍然是一個相當棘手的問題。因為超級電容器要想儲存與鋰離子電池相同的電量，其體積就要比后者大得多。所以，不少研究團隊選擇了從材料入手。
有些科研人員曾試圖將一些新發現的、只有幾個原子厚的二維材料運用到超級電容器上；還有一些研究人員嘗試過采用石墨烯等儲電性能強的二維材料來制備超級電容。但成功的案例少之又少，電容器的性能改善也很有限。
歸根結底，問題出在將二維材料與現有電池材料的融合上，這也一直是該領域的一大瓶頸。不過，長期研究超級電容的UCF科研團隊偏偏啃起了這根“硬骨頭”。
功夫不負有心人，科研團隊研發了一種新型超級電容器制備技術，研制出了可彎曲的超級電容器，可以取代之前的普通電池。
有了它，只需要為手機充電幾秒鐘，就可以擁有維持一周以上的電量。同時，這種新產品可以反復充電超過3萬次，并幾乎沒有損耗。而目前市場上的普通鋰離子電池基本上只能保證在充電1500次之內電池的性能不會有所下降。
據科研團隊介紹，這種超級電容器是由數以百萬計的納米線組成，并且在超級電容器的表面噴涂了一層二維材料，制備出一種核殼型的超級電容器。這種超級電容器具有超高導電性能的芯，從而使得電池體系能夠快速地進行電子轉移，從而能實現快速充放電的效果。具有二維材料殼的超級電容器，能夠非常顯著地提高電池體系的能量，增加其功率密度。
“對于小型電子設備而言，我們制備出的材料在能量密度、功率密度和循環穩定性等方面的性能已處于世界領先地位，遠超出常規標準。”UCF科研團隊的博士后Nitin Choudhary如是說。
因為需要充分考驗這種超級電容器的性能，所以其距離商業化還有一段路要走。但科研人員表示，這項研究成果有望在未來的移動設備與電動車領域開啟更多應用前景。
潛能無限
通過前述不難想象，利用超級電容器，在幾秒鐘之內為手機充滿電，在幾分鐘之內為電動汽車充滿電的情景，也許在不遠的將來就能實現。
那么，超級電容器到底有怎樣的“本領”呢？
其實，超級電容器是一種功率型儲能器件，是介于傳統電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。
與人們熟知的普通電容器相比，在相同重量的情況下，超級電容器的電能儲存量和放電時間要高出成百上千倍，而功率只有普通電容器的1/10。
超級電容器具有使用壽命長、充電時間短、材料無限、低溫性能良好等多方面的優勢。在能量儲存方面，應用超級電容器最吸引人的地方在于，它能夠達到鋰離子電池或鉛酸電池完全無法承受的非常高的充放電速率。這可用于開發釋放能量迅速的能量儲存設備，如電動汽車的動力能源載體，或者是那些需要快速放電的應用，如為電動汽車或電動工具提供啟動動力。
除了在儲能效率方面很“強悍”，其高于鋰電池的安全性能也一直為業界所追捧。近幾年因鋰電池安全而引發的各類事件頻頻曝光。有專家曾經指出，鋰電池“本性難移”，很難從技術上彌補其安全性短板。而利用靜電電荷存儲電能的超級電容本身就保證了其安全性。
縱觀全球，美國、日本、俄羅斯、瑞士等國家的一些公司憑借多年積累的技術，已率先走在超級電容器產業化的前沿。如美國的 Maxwell，日本的Nec、松下、Tokin和俄羅斯的Econd公司等，目前占據了全球大部分市場。
專注智能科技市場研究的調研公司IDTechEX曾做過數據統計，預計到2018年，超級電容器全球市場規模將達到32億美元，年復合增長率為31%，這充分展現了超級電容器對世界各國的吸引力。
當然，不論未來超級電容器是否會取代鋰電池，其在新能源發電、智能電網、新能源汽車、節能建筑、工業節能減排等各個行業的廣泛應用，早已決定了超級電容器的戰略價值。■