Fotografier av originalpapperet och papperet belagt med guld nanopartiklar, som kan användas för att tända lysdioder. Kredit:Ko et al. Publicerad i Naturkommunikation .
Genom att belägga vanligt papper med lager av guld nanopartiklar och andra material, Forskare har tillverkat flexibla papperssuperkondensatorer som uppvisar den bästa prestandan av någon superkondensator av textiltyp hittills. Särskilt, papperssuperkondensatorerna tar itu med en av de största utmaningarna inom detta område, vilket är att uppnå en hög energitäthet utöver en redan hög effekttäthet, eftersom båda egenskaperna är väsentliga för att realisera högpresterande energilagringsenheter. I framtiden, flexibla papperssuperkondensatorer skulle kunna användas i bärbar elektronik för biomedicinska, konsument, och militära tillämpningar.
Forskarna, ledd av Seung Woo Lee vid Georgia Institute of Technology och Jinhan Cho vid Korea University, har publicerat en artikel om de flexibla pappers-superkondensatorelektroderna i ett färskt nummer av Naturkommunikation .
Som energilagringsenheter, superkondensatorer har flera fördelar jämfört med batterier, såsom en högre effekttäthet, snabb laddning/urladdningshastighet, och längre livslängd, ändå släpar de efter batterier i energitäthet (mängden energi som kan lagras i en given mängd utrymme). Även om flera metoder har försökts förbättra energitätheten hos papperssuperkondensatorer genom att belägga dem med olika ledande material, ofta har dessa metoder nackdelen att de minskar effekttätheten.
Som forskarna förklarar i sin artikel, Nyckeln till att uppnå bra allroundprestanda med beläggningsmetoder är att noggrant kontrollera mängden laddning av de ledande och aktiva materialen (som metallnanopartiklar) som ingår i papperssuperkondensatorn och som bestämmer många av dess elektrokemiska egenskaper.
Att göra detta, forskarna använde en lager-för-lager-monteringsprocess, där enstaka lager av guldnanopartiklar avsätts på papperet. Genom att selektivt växla mellan pseudokapacitiva skikt och metallskikt, forskarna kunde kontrollera laddningsmängden och uppnå en hög densitet av nanopartiklar, vilket bidrar till hög kapacitet och hög energitäthet. En annan fördel med denna metod är att lager-för-lager-avsättningen gör att papperet kan behålla sin mycket porösa struktur, vilket förbättrar dess prestanda genom att tillhandahålla en kort transportväg för laddade partiklar.
"Papperselektroderna baserade på lager-för-lager-monterade metallnanopartiklar uppvisar metallliknande elektrisk ledningsförmåga, pappersliknande mekaniska egenskaper, och en stor yta utan någon värmebehandling och/eller mekanisk pressning, " berättade medförfattaren Yongmin Ko vid Korea University Phys.org . "Den periodiska insättningen av metallnanopartiklar i nanopartikelbaserade papperselektroder med hög energi kan lösa den kritiska kompromissen där en ökning av laddningsmängden av material för att öka energitätheten hos superkondensatorer minskar effekttätheten."
I experiment, forskarna visade att denna monteringsmetod förbättrar flera nyckelegenskaper hos papperssuperkondensatorn. Dess verkliga prestanda – som anses vara en viktig faktor för att utvärdera flexibla, bärbara textilbaserade energilagringselektroder – är betydligt bättre än för någon tidigare rapporterad flexibel papperssuperkondensator. Den maximala yteffekten och energitätheten för den nya superkondensatorn är 15,1 m/cm 2 och 267,3 μWh/cm 2 , respektive. Forskarna förväntar sig att dessa värden kan förbättras ytterligare genom att öka antalet lager.
Tester visade också att de flexibla papperssuperkondensatorerna hade en maximal kapacitans som är högre än någon tidigare rapporterad textilbaserad superkondensator. Dessutom, de nya enheterna uppvisar en utmärkt kapacitetsbevarande, demonstreras av en kapacitetsretention på 90 % efter 5, 000 böjcykler.
Forskarna förväntar sig att teknikerna som används här kan tillämpas på papperssuperkondensatorer av olika former, storlekar, och ytor, samt superkondensatorer baserade på biomassa-härledda kolmaterial istället för papper, och andra typer av enheter.
"Vi har nu utökat vår strategi för batterier, triboelektriska enheter, elektrokemiska sensorer, och olika andra flexibla elektroder som kräver metallliknande ledningsförmåga och stor ytarea, " sa Ko.
© 2017 Phys.org
