Door gewoon papier te coaten met lagen gouden nanodeeltjes en andere materialen, onderzoekers hebben flexibele papieren supercondensatoren gefabriceerd die tot nu toe de beste prestaties vertonen van alle supercondensatoren van het textieltype. Vooral, de papieren supercondensatoren pakken een van de grootste uitdagingen op dit gebied aan, die een hoge energiedichtheid moet bereiken naast een toch al hoge vermogensdichtheid, aangezien beide eigenschappen essentieel zijn voor het realiseren van krachtige energieopslagapparaten. In de toekomst, flexibele papieren supercondensatoren kunnen worden gebruikt in draagbare elektronica voor biomedische, klant, en militaire toepassingen.

De onderzoekers, geleid door Seung Woo Lee aan het Georgia Institute of Technology en Jinhan Cho aan de Korea University, hebben een artikel gepubliceerd over de flexibele papiersupercondensatorelektroden in een recent nummer van: Natuurcommunicatie .

Als apparaten voor energieopslag, supercondensatoren hebben verschillende voordelen ten opzichte van batterijen, zoals een hogere vermogensdichtheid, snelle lading/ontlaadsnelheid, en een langere levensduur, toch blijven ze achter bij batterijen in energiedichtheid (de hoeveelheid energie die in een bepaalde hoeveelheid ruimte kan worden opgeslagen). Hoewel er verschillende methoden zijn geprobeerd om de energiedichtheid van papiersupercondensatoren te verbeteren door ze te coaten met verschillende geleidende materialen, vaak hebben deze methoden het nadeel dat ze de vermogensdichtheid verminderen.

Zoals de onderzoekers in hun paper uitleggen, de sleutel tot het bereiken van goede allround prestaties met behulp van coatingmethoden is het zorgvuldig regelen van de laadhoeveelheid van de geleidende en actieve materialen (zoals metalen nanodeeltjes) die in de papiersupercondensator zijn opgenomen en die veel van zijn elektrochemische eigenschappen bepalen.

Om dit te doen, de onderzoekers gebruikten een laag-voor-laag assemblageproces, waarin enkele lagen gouden nanodeeltjes op het papier worden afgezet. Door selectief af te wisselen tussen pseudocapacitieve lagen en metaallagen, de onderzoekers konden de laadhoeveelheid regelen en een hoge dichtheid van nanodeeltjes bereiken, wat bijdraagt ​​aan een hoge capaciteit en hoge energiedichtheid. Een ander voordeel van deze methode is dat de laag-voor-laag depositie ervoor zorgt dat het papier zijn zeer poreuze structuur behoudt, die zijn prestaties verbetert door een korte transportroute voor geladen deeltjes te bieden.

"De papierelektroden op basis van laag-voor-laag-geassembleerde metalen nanodeeltjes vertonen metaalachtige elektrische geleidbaarheid, papierachtige mechanische eigenschappen, en een groot oppervlak zonder enige thermische behandeling en/of mechanische persing, " vertelde co-auteur Yongmin Ko aan de Korea University: Phys.org . "De periodieke invoeging van metalen nanodeeltjes in op nanodeeltjes gebaseerde papierelektroden met hoge energie zou de kritieke afweging kunnen oplossen waarin een toename van de laadhoeveelheid materialen om de energiedichtheid van supercondensatoren te verbeteren de vermogensdichtheid verlaagt."

Bij experimenten, de onderzoekers toonden aan dat deze assemblagemethode verschillende belangrijke kenmerken van de papieren supercondensator verbetert. De prestaties in het gebied, die als een belangrijke factor worden beschouwd bij het evalueren van flexibele, draagbare op textiel gebaseerde energieopslagelektroden - is aanzienlijk beter dan die van enige eerder gerapporteerde flexibele supercondensator van papier. Het maximale oppervlaktevermogen en de energiedichtheden van de nieuwe supercondensator zijn 15,1 m/cm ² en 267,3 μWh/cm ² , respectievelijk. De onderzoekers verwachten dat deze waarden verder verbeterd kunnen worden door het aantal lagen te vergroten.

Tests toonden ook aan dat de flexibele supercondensatoren van papier een maximale capaciteit hadden die hoger is dan alle eerder gerapporteerde supercondensatoren op textielbasis. In aanvulling, de nieuwe apparaten vertonen een uitstekend capaciteitsbehoud, aangetoond door een capaciteitsbehoud van 90% na 5, 000 buigcycli.

De onderzoekers verwachten dat de technieken die hier worden gebruikt kunnen worden toegepast op papieren supercondensatoren van verschillende vormen, maten, en oppervlakten, evenals supercondensatoren op basis van van biomassa afgeleide koolstofmaterialen in plaats van papier, en andere soorten apparaten.

"We hebben onze benadering van batterijen nu uitgebreid, tribo-elektrische apparaten, elektrochemische sensoren, en verschillende andere flexibele elektroden die een metaalachtige geleidbaarheid en een groot oppervlak vereisen, ' zei Ko.

© 2017 Fys.org