Разработан гибкий суперконденсатор на бумажной основе, который может быть использован для зарядки мощных носимых устройств. В устройстве используются металлические наночастицы для покрытия целлюлозных волокон в бумаге. Исследователи продемонстрировали, что их метод улучшает несколько характеристик бумажного суперконденсатора.
Используя простую технологию поэтапного покрытия, исследователи из США и Кореи разработали гибкий суперконденсатор на бумажной основе, который может быть использован для зарядки мощных носимых устройств. В устройстве используются металлические наночастицы для покрытия целлюлозных волокон в бумаге, создавая электроды суперконденсатора с высокой плотностью энергии - и это наилучшие результаты для суперконденсатора на текстильной основе, полученные до сих пор.
Вводя проводящие и энергоемкие материалы в бумагу, в этой технологии создаются большие площади поверхности, которые функционируют как токоприемники и источники наночастиц для электродов. Тестирование показывает, что устройства, изготовленные с помощью технологии, могут складываться тысячи раз, не влияя на проводимость.
Изображения показывают разницу между бумагой перед металлизацией (слева) и бумагой, покрытой проводящими наночастицами.
Credit: Ko et al., published in Nature Communications
«Этот тип гибкого устройства хранения энергии может предоставить уникальные возможности для подключения к носимой электронике и переносным интернет- устройствам», - сказал Сеунг Ву Ли, доцент в Школе машиностроения Вудраффа Технологического института Джорджии. - «Мы могли бы поддержать эволюцию самой передовой портативной электроники. У нас также есть возможность объединить этот суперконденсатор с энергозапасающими устройствами, которые могли бы использоваться в биомедицинских датчиках, потребительской и военной электронике и подобных приложениях».
Обычно устройства для хранения энергии оценивают по трем свойствам: плотность энергии, плотность мощности и устойчивость к циклам работы. Суперконденсаторы часто имеют высокую плотность мощности, но низкую плотность энергии - количество энергии, которое можно хранить - по сравнению с батареями, которые часто имеют противоположные атрибуты. Развивая свою новую технологию исследователи решили повысить плотность энергии суперконденсаторов при сохранении их высокой выходной мощности.
Исследователи начали с погружения образцов бумаги в химический раствор, содержащий поверхностно-активное вещество амин, предназначенное для связывания наночастиц золота с бумагой. Затем они погружали бумагу в раствор, содержащий наночастицы золота. Поскольку волокна являются пористыми, поверхностно-активные вещества и наночастицы входят в волокна и крепко прикрепляются, создавая конформное покрытие на каждом волокне.
Повторив этапы изготовления, исследователи создали проводящую бумагу, на которой они добавили чередующиеся слои из оксидов металлов для хранения энергии, таких как оксид марганца. Специальный подслой помогал минимизировать контактное сопротивление между соседними металлическими и/или металлическими наночастицами. Используя простой процесс, выполняемый при комнатной температуре, слои могут быть созданы для обеспечения желаемых электрических свойств.
«Это очень простой процесс, - сказал Ли. - «Поэтапный процесс обеспечивает хорошее конформное покрытие на целлюлозных волокнах. Мы можем сложить полученную металлизированную бумагу и нести ее без ущерба для проводимости».
Хотя исследование касалось небольших образцов бумаги, но процесс, вероятно, можно было бы масштабировать, используя более крупные резервуары или даже технологию распыления. «Не должно быть ограничений по размеру образцов, которые мы могли бы произвести», - сказал Ли. - «Нам просто нужно установить необходимую толщину слоя, которая обеспечивает хорошую проводимость, минимизируя при этом использование наночастиц, для оптимизации соотношения затрат и производительности».
Исследователи продемонстрировали, что их метод улучшает несколько характеристик бумажного суперконденсатора, в том числе его объемную производительность, важный фактор для измерения гибких электродов хранения энергии. Максимальная мощность и плотность энергии суперконденсаторов на металлической бумаге оцениваются в 15,1 mW cm−2 и 267,3 × μWh cm−2 соответственно, что значительно превосходит обычные бумажные или текстильные суперконденсаторы.
Следующие шаги исследования будут включать в себя тестирование устройства на гибких тканях и разработку гибких батарей, которые могут работать с суперконденсаторами. Исследователи использовали наночастицы золота, потому что с ними легко работать, но планируют тестировать менее дорогие металлы, такие как серебро и медь для снижения стоимости.
Источник: Yongmin Ko, Minseong Kwon, Wan Ki Bae, Byeongyong Lee, Seung Woo Lee, Jinhan Cho. Flexible supercapacitor electrodes based on real metal-like cellulose papers. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-00550-3