穿戴装置续电救星:石墨烯

2019-10-21 16:16:53 来源: 黔南州信息港

电脑运算科技从1951年由Remington Rand开发出台量產型电脑「UNIVAC」,发展至今已经有60多年,微小化一直是发展的主轴之一。从庞然大物的主机时代,歷经个人电脑、手提式电脑、笔记型电脑到目前的平板电脑、智慧型手机,体积愈做愈小。

但此微小化并不会停歇,目前已经往穿戴式方向发展,未来甚至可能运算装置将融入于周遭环境中,人类无须携带任何电脑装置而仍能享受随手可得的资讯。

穿戴式电脑概念于1970年代后期即已成形,Steve Mann是主要先行者之一,他在二十数年间整合当时科技打造出各种穿戴式电脑装置,但受限于当时电脑及无线通讯科技微小化不足,成品过于笨重,难以商品化。2009年MIT Media Lab Project Six Sense展示了整合笔记型电脑(放在背包中)、摄影机、微型投影机、麦克风等的穿戴式装置,并展示各种应用情境,引起业界关注,体认到穿戴式电脑的商机已经来临了。

穿戴式电脑装置主要由数个模组构成,分别是运算模组、显示模组、无线数据通讯模组、摄影模组、使用者介面模组。运算模组目前以智慧型手机为合适,并可兼当数据通讯模组。显示模组以MIT Project Six Sense为例,则是使用微型投影机,可将资讯、影像投射在物体表面上,而Google的Glass则是直接投射在眼镜的屏幕上。摄影模组除可获取外界资讯,亦可透过影像辨识,理解使用者手势操控讯号,成为使用者介面模组。使用者介面模组也有使用麦克风的语音辨识操控方法。

目前市面上开始出现整合前述部分模组的穿戴式装置,手表式穿戴装置是发展较蓬勃之其一,例如Sony的SmartWatch、Samsung的Galaxy Gear还有即将于2015年问世的Apple Watch等。手表式穿戴装置虽然因为具时尚感且可充当智慧型手机的第2个萤幕,查看手机传来的即时讯息,如E-mail、简讯、行事历等,再加上可整合生理讯号侦测装置,记录健康资讯等功能,具有一定差异化功能,而获得消费者的关注,但随着產品问世后,由于受限于电池续航力,导致设计上与传统认知的使用手表情境差异甚大,难以被消费者接受。例如萤幕待机时黑屏,消费者要看时间,还需点选唤醒;每天要充电或频繁使用时续航力仅数小时等问题。

因此要解决智慧穿戴装置面临的困境,如何提升电池的续航力是一大挑战。以石墨烯为电极的电双层电容器可能是未来解决方案之一。

电双层电容器(Electric Double Layer Capacitor,EDLC),又称做超级电容器(Ultra-capacitor or Super-Capacitor),是一种具备高能量密度的电化学电容器,比传统的电容器容量高上数百倍到数千倍。传统电容器由两片金属片组成,中间填入绝缘的介电质以隔离金属片。当接上电池充电时,正电荷和负电荷分别聚集在金属片上以储存电能。其储存容量大小与金属板的面积成正比,与两金属板距离成反比,也与介电质材料有关。

充电快、寿命长的EDLC

EDLC使用多孔活性碳为电极,其坑坑洞洞的材料特性,使储电表面积大为提高,一般而言,一公克活性碳(约为附在铅笔顶端的橡皮擦大小)其表面积可高达250平方公尺(约为一面网球场大小),若是使用其他材料如石墨、碳奈米管、碳气凝胶、石墨烯或导电聚合物等,其表面积会更大。此外其透过极化电解质,可将电荷储存在电极板和电解质之间,共有两层,电荷储存容量又多增加1倍,因此EDLC能储存非常高的电能。

EDLC还有很多优点,适合用在行动装置电池上:

1.充电快速:因不是化学的氧化还原反应,而是纯粹物理的电荷移动,因此充电速度非常快,几秒到几十秒即可充满,而且充电电路简单,结构也简单,几乎不需维护。

2.功率密度高:可提供大电流,因此也适合运用于笔记型电脑或需要更高功率的行动设备。

3.寿命非常长:可充放电大于50万次,若每天充放电2次,可连续使用680年,而且没有记忆效应。

EDLC目前已经广泛使用于智慧型手机、电动手工具等產品,但主要是提供瞬间大电流,例如手机的闪光灯。此外,电动车厂商也积极开发电动车的车用电池。但由于目前单位体积的储电量仍无法满足行动装置需求,而且生產成本高,因此仍无法取代锂离子电池。

石墨烯电容器诞生

不过,2012年3月,美国加州洛杉矶分校(UCLA)的研究员发展出利用DVD烧录器制作以石墨烯为电极的超级电容器的方法,若此方法发展成熟,由于石墨烯的单位重量表面积约为活性碳的10倍,将可以提高超级电容器的容量并降低生產成本,如此以超级电容器取代锂离子电池将指日可待。

UCLA的制作方法为,首先,在DVD空白片涂上薄薄的氧化石墨水溶液,再利用DVD烧录器的雷射光将氧化石墨烧成石墨烯,并蚀刻成如手指交握的两个锯齿状电极,可让表面积增加数倍,过程仅需30分钟。再黏贴上电解质,完成超级电容器。

UCLA后续的研究是希望找出新的电解质,以提高储电量,至少达到锂离子电池的水准,但充电时间能在5分钟之内。

UCLA研发出採用便宜的DVD烧录器制造石墨烯电极的制造方式,是EDLC技术的一大进步,让EDLC技术有望于未来数年内逐渐发展出可用于智慧型手机、智慧穿戴装置甚至是笔电的行动电池。(本文作者为资策会MIC產业顾问)

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