用于健康和健身监测的可穿戴电子设备是消费电子领域迅速发展的一个方向；其最大的局限之一，是微型电池的容量不足以提供传输数据所需的电力。如今，MIT和加拿大的研究人员找到了一种颇具前景的新方法，可为这类小型设备提供所需的短促而强劲的电力脉冲。
研究人员表示，关键在于一种制造新型超级电容器的方法——这类设备能够以脉冲形式储存和释放电能，用于可穿戴设备（如心率监测器、电脑或智能手机）短暂的数据传输。它们也可能适用于其他需要在小体积内提供高功率的应用，例如自主微型机器人。
这项新方法将由铌元素纳米线制成的纱线用作微型超级电容器的电极（这类电容器本质上是一对导电纤维，中间隔着绝缘体）。这项研究发表于期刊 《ACS Applied Materials and Interfaces》 ，作者包括MIT机械工程教授Ian W. Hunter、博士生Seyed M. Mirvakili，以及不列颠哥伦比亚大学的另外三位研究人员。
纳米技术研究人员过去十年来一直致力于提升超级电容器的性能。Mirvakili说，在纳米材料中，碳基纳米颗粒（如碳纳米管和石墨烯）已展现出令人期待的成果，但其电导率相对较低。
在这项新研究中，他和同事表明，这类设备所需的理想特性（例如高功率密度）并非碳基纳米颗粒所独有，铌纳米线纱是一种很有前景的替代材料。
Hunter说：“设想你有某种可穿戴健康监测系统，需要广播数据，例如通过Wi-Fi进行远距离传输。”目前，许多小型电子设备使用的硬币大小电池，一次性提供大量电力的能力十分有限，而数据传输恰恰需要这种电力。
Hunter（MIT机械工程系George N. Hatsopoulos热力学教授）说：“远距离Wi-Fi需要相当多的电力，但可能不需要持续很久。”他补充说，小型电池通常并不适合满足这种供电需求。
Hunter说：“我们知道，健康监测或运动监测领域的一些公司都遇到了这个问题。因此，一种替代方案是采用电池和电容器的组合”：电池负责长期、低功耗功能，电容器则用于短时的高功率输出。这种组合应能扩大设备的覆盖范围，或者——在市场上或许更重要的是——显著降低设备的尺寸要求。
这种新型纳米线超级电容器的性能超过现有电池，同时占用的体积极小。Hunter说：“如果你有一块Apple Watch，我把它的质量减少30%，你可能都不会注意到。但如果把体积减少30%，那就非常了不起。”他指出，消费者对可穿戴设备的尺寸非常敏感。
Hunter说，这项创新对小型设备尤其重要，因为其他储能技术（如燃料电池、电池和飞轮）效率往往较低，或者在缩小到极小尺寸时过于复杂，难以实用。他说：“我们处于一个最佳位置”，拥有一种能够从极小设备中输出强劲电力脉冲的技术。
Hunter说，理想情况下，设备应具有较高的体积功率密度（单位体积中储存的功率）和较高的体积能量密度（单位体积中的能量）。他说：“还没人找到实现这一点的方法。”不过，借助这种新设备，“我们拥有相当高的体积功率密度、中等的能量密度和低成本”，这种组合可能非常适合多种应用。
Mirvakili说，铌是一种相当丰富且应用广泛的材料，因此整个系统应当成本低廉、易于生产。他说：“制造成本很低。”其他团队曾使用碳纳米管或其他材料制造类似的超级电容器，但铌纱线强度更高，导电性则高出100倍。总体而言，在相同体积内，铌基超级电容器最多可储存碳纳米管版本五倍的电力。
铌的熔点也非常高，接近2,500摄氏度，因此由这些纳米线制成的设备有望用于高温应用。
此外，这种材料极具柔韧性，可以织入织物，从而实现可穿戴形态；单根铌纳米线的直径仅为140纳米，即1400亿分之一米，约为人类头发宽度的千分之一。
迄今为止，这种材料只在实验室规模的设备中制成。研究人员表示，下一步（目前已在进行中）是设法设计出实用且易于制造的版本。
澳大利亚卧龙岗大学工程学教授Geoff Spinks并未参与这项研究。他说：“这项工作对智能织物和未来可穿戴技术的发展意义重大。”他补充说，这篇论文“令人信服地展示了铌基纤维超级电容器的出色性能”。
团队成员还包括不列颠哥伦比亚大学的博士生Mehr Negar Mirvakili，以及教授Peter Englezos和John Madden。
本文由 MIT News合作发布。发布本文并不代表世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：David L. Chandler为MIT News撰稿。
图片：一名访客在国际会议上使用可穿戴技术。路透社/Edgar Su。
