涂覆金属纳米粒子的纸基超级电容器有望应用于可穿戴设备

发布时间：2017/10/10 0:07:45

通过一种简易的逐层涂敷技术，来自美国和韩国的研究人员开发了一种纸基柔性超级电容器，这种电容器可以为可穿戴设备供电。这种设备利用金属纳米粒子在纸上涂覆纤维，来制备出能量密度和电荷密度都很高的超级电容器电极（截止目前，性能*好的是纺织物基超级电容器）。

通过在纸上涂覆导电和储电材料，此项技术制备了可以充当电极集电器和纳米粒子存储器的大表面。测试表明：应用了此技术的设备可以折叠数千次而不影响其传导性。

佐治亚理工学院伍德夫机械工程学院（音译）助教Seung Woo Lee说：“这种柔性能量储存设备为可穿戴设备联网提供了独特机遇，有助于我们促进*先进便携电子器件的发展。我们也有机会把这种超级电容器与集能设备结合，这样就可以为生物医疗传感器、消费者、军用电子设备及类似的应用供电。”

这项由Seung Woo Lee与高丽大学的合作者共同完成的研究，得到了韩国国家研究基金的支持，并于9月14日发表在了Nature Communications上。

能量存储设备的性能通常由三个参数来判定：能量密度，电荷密度，循环稳定性。超级电容器往往都有高电荷密度，低能量密度（可被储存的能量），而电池往往具有相反的特性。为了开发新技术，Lee和来自高丽大学化学与生物工程系的合作者Jinnan Cho打算在保持超级电容器高输出电量的同时提高其能量密度。

研究人员首先把纸样品浸入盛有表面活性胺溶液（此溶液旨在将金纳米粒子结合到纸上）的烧杯中，再把纸浸入含有金纳米粒子的溶液中。因为是多孔性纤维，表面活性剂和纳米粒子进入纤维并形成强结合，从而在每个纤维上形成共性涂层。

通过重复浸渍过程，研究人员开发了一种导电纸，纸上敷有金属氧化物（如氧化锰）储能材料的交互层。这种配体介导叠层方法使得相邻金属和金属氧化物纳米粒子间的接触电阻降到了*小。通过室温下的简单工艺，可以将层与层结合起来为人们提供想要的电性能。

Lee说：“这是一种简单的工艺，我们在交替烧杯中进行的叠层工艺在纤维上制备出了良好的共性涂层。我们可以折叠或弯曲*终的镀金属纸，而不会对其导电性产生影响。”

尽管研究只涉及很小的纸样品，但是使用更大的容器甚至喷射技术的时候，这种技术的使用范围可能会得到扩大。Lee说：“我们能生产的样品尺寸应该不会有限制，我们只需要确定提供优良导电性的*佳层厚，同时尽量少用纳米粒子以使成本和性能之间达到平衡。”

研究人员证实：他们的自组装技术改善了纸基超级电容器的几项性能，包括其面性能（衡量柔性储能电极的重要指标之一）。据估计，金属纸基超级电容器的*大电荷和能量密度分别能达到15.1 mW/cm2和267.3Wh/cm2，总体上优于传统纸基或纺织物基超级电容器。

下一阶段研究人员会在柔性织物上测试这项技术，并开发可以利用超级电容器工作的柔性电池。研究人员使用金纳米粒子是因为它们好操控，但是他们计划测试些便宜的金属（如银、铜）以降低成本。

Lee在其博士期间就研发出了使用不同材料做能量储存的叠层自组装技术。与韩国合作者一起，他看到了用纳米粒子将此技术应用到柔性和可穿戴设备上的新机遇。

“我们将涂覆到纸上的涂层控制在纳米尺度，”他补充道。“如果我们增加层数，性能会持续改善。并且这些都是基于普通的纸。”

郑重声明：以上信息由企业自行发布，该企业负责信息内容的完整性、真实性、准确性和合法性。本网站对此不承担任何责任。