Fotografier af det originale papir og papiret belagt med guld nanopartikler, som kan bruges til at tænde lysdioder. Kredit:Ko et al. Udgivet i Naturkommunikation .
Ved at belægge almindeligt papir med lag af guld nanopartikler og andre materialer, forskere har fremstillet fleksible papirsuperkapacitorer, der udviser den bedste ydeevne af enhver superkondensator af tekstiltype til dato. I særdeleshed, papirsuperkapacitorerne løser en af de største udfordringer på dette område, som skal opnå en høj energitæthed ud over en allerede høj effekttæthed, da begge ejendomme er afgørende for at realisere højtydende energilagringsenheder. I fremtiden, fleksible papir superkapacitorer kan bruges i bærbar elektronik til biomedicinsk, forbruger, og militære applikationer.
Forskerne, ledet af Seung Woo Lee ved Georgia Institute of Technology og Jinhan Cho ved Korea University, har udgivet et papir om de fleksible papiroverkapacitorelektroder i et nyligt nummer af Naturkommunikation .
Som energilagringsenheder, superkapacitorer har flere fordele i forhold til batterier, såsom en højere effekttæthed, hurtig opladning/afladningshastighed, og længere levetid, alligevel halter de bag batterier i energitæthed (mængden af energi, der kan lagres i en given mængde plads). Selvom flere metoder er blevet forsøgt at forbedre energitætheden af papirsuperkapacitorer ved at belægge dem med forskellige ledende materialer, ofte har disse metoder den ulempe at reducere effekttætheden.
Som forskerne forklarer i deres papir, nøglen til at opnå god all-round ydeevne ved hjælp af belægningsmetoder er omhyggeligt at kontrollere belastningsmængden af de ledende og aktive materialer (f.eks. metal nanopartikler), der er inkorporeret i papirsuperkondensatoren, og som bestemmer mange af dets elektrokemiske egenskaber.
At gøre dette, forskerne brugte en lag-for-lag samlingsproces, hvor enkelte lag guldnanopartikler afsættes på papiret. Ved selektivt at skifte mellem pseudokapacitive lag og metallag, forskerne kunne kontrollere belastningsmængden og opnå en høj densitet af nanopartikler, hvilket bidrager til en høj kapacitet og høj energitæthed. En anden fordel ved denne metode er, at lag-for-lag-deponeringen tillader papiret at bevare sin meget porøse struktur, som forbedrer dens ydeevne ved at tilvejebringe en kort transportvej for ladede partikler.
"Papirelektroderne baseret på lag-for-lag-sammensatte metal-nanopartikler udviser metallignende elektrisk ledningsevne, papirlignende mekaniske egenskaber, og et stort overfladeareal uden varmebehandling og/eller mekanisk presning, "fortalte medforfatter Yongmin Ko ved Korea University Phys.org . "Den periodiske indsættelse af metal-nanopartikler i nanopartikelbaserede papirelektroder med høj energi kan løse den kritiske afvejning, hvor en stigning i belastningsmængden af materialer for at øge superkapacitorers energitæthed reducerer effekttætheden."
I forsøg, forskerne demonstrerede, at denne samlingsmetode forbedrer flere nøgleegenskaber ved papirsuperkapacitoren. Dens areal ydeevne - som betragtes som en vigtig faktor i evalueringen af fleksible, bærbare tekstilbaserede energilagringselektroder-er betydeligt bedre end nogen tidligere rapporteret fleksibel papirsuperkapacitor. Den nye superkapacitors maksimale arealeffekt og energitæthed er 15,1 m/cm 2 og 267,3 μWh/cm 2 , henholdsvis. Forskerne forventer, at disse værdier kan forbedres yderligere ved at øge antallet af lag.
Test viste også, at de fleksible papirsuperkapacitorer havde en maksimal kapacitans, der er højere end nogen tidligere rapporteret tekstilbaseret superkapacitor. Ud over, de nye enheder udviser en fremragende kapacitetsopbevaring, demonstreret ved en 90% kapacitet tilbageholdelse efter 5, 000 bøjningscyklusser.
Forskerne forventer, at de teknikker, der bruges her, kan anvendes på papirsuperkapacitorer i forskellige former, størrelser, og overfladearealer, samt superkapacitorer baseret på biomasse-afledte kulstofmaterialer i stedet for papir, og andre typer enheder.
"Vi har nu udvidet vores tilgang til batterier, triboelektriske enheder, elektrokemiske sensorer, og forskellige andre fleksible elektroder, der kræver metallignende ledningsevne og højt overfladeareal, "Sagde Ko.
© 2017 Phys.org