Superkondensator bazujący na papierze wykorzystuje metalowe nanocząstki w celu zwiększenia gęstości

Zwykły papier rozwinie przemysł baterii?

Korzystając z prostych technik powlekania pojedynczymi warstwami, naukowcy z USA i Korei opracowali elastyczny superkondensator papierowy, który może być używany do wspomagania zasilania urządzeń przenośnych. Urządzenie wykorzystuje nanocząstki metaliczne do powlekania włókien celulozowych w papierze, tworząc elektrody o dużej gęstości energii i mocy.

Poprzez implantowanie materiałów przewodzących prąd i ładunków, technika ta tworzy duże powierzchnie, które działają jako kolektory prądu i zbiorniki nanocząstek dla elektrod. Badania wykazały, że urządzenia wytwarzane techniką mogą być składane tysiące razy bez wpływu na przewodność.

"Tego rodzaju elastyczne urządzenie do magazynowania energii może stanowić wyjątkowe możliwości łączenia się między sprzętem przenośnym, a tzw. „Internet of Things"", powiedział Seung Woo Lee, adiunkt w Wyższej Szkole Mechanicznej w Woodruff w Georgia Institute of Technology. "Możemy wspierać ewolucję najbardziej zaawansowanej elektroniki przenośnej. Możemy również połączyć ten superkondensator z urządzeniami zbierającymi energię, które mogłyby zasilać czujniki biomedyczne, elektronikę konsumencką i wojskową oraz podobne aplikacje".

Badania przeprowadzone przez współpracowników z Uniwersytetu Korei zostały poparte przez Narodową Fundację Badań Naukowych Korei i zgłoszone 14 września w czasopiśmie Nature Communications.

Urządzenia magazynujące energię ocenia się na ogół na podstawie trzech właściwości: ich gęstości energii, gęstości mocy i stabilności. Superkondensatory mają często dużą gęstość mocy, ale niską gęstość energii w porównaniu do baterii, które często mają przeciwne atrybuty. Opracowując nową technikę, Lee i jego współpracownik Jinhan Cho z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Biologicznej Uniwersytetu Korei postanowili zwiększyć gęstość energetyczną superkondensatorów przy zachowaniu wysokiej mocy wyjściowej.

Naukowcy zaczęli zanurzać próbki papieru w zlewce roztworu zawierającego surfaktant aminowy przeznaczony do wiązania złoconych nanocząstek z papierem. Następnie zanurzono papier w roztworze zawierającym owe nanocząstki. Ponieważ włókna są porowate, surfaktanty i nanocząstki wchodzą do włókien i stają się mocno połączone, tworząc powłokę konformalną na każdym włóknie.

Powtarzając etapy zanurzania, naukowcy utworzyli przewodzący papier, na którym dodawali naprzemienne warstwy materiałów magazynujących energię tlenku magnezu, takich jak tlenek manganu. Korzystając z prostego sposobu wykonywania w temperaturze pokojowej, warstwy mogą być zbudowane tak, aby zapewnić pożądane właściwości elektryczne.

"To w zasadzie bardzo prosty proces", powiedział Lee. "Jedna warstwa, którą zrobiliśmy w zmiennych zlewkach, zapewnia dobrą powłokę konformalną na włókna celulozowe. Możemy zwinąć powstały metalizowany papier i w inny sposób zgnieść go bez uszkodzenia przewodnictwa".

Choć badania dotyczyły małych próbek papieru, technika oparta na rozwiązaniach mogłaby zostać zwiększona przy użyciu większych zbiorników lub techniki natrysku. "Nie powinno być ograniczeń co do wielkości próbek, które moglibyśmy produkować", powiedział Lee. "Musimy tylko ustalić optymalną grubość warstwy, która zapewnia dobrą przewodność, minimalizując wykorzystanie nanocząstek w celu optymalizacji kompromisu między kosztami a wydajnością".

Następnym krokiem będzie sprawdzenie techniki na elastycznych tkaninach i opracowanie baterii, które mogłyby współpracować z superkondensatorami. Naukowcy wykorzystali złote nanocząsteczki, ponieważ są one łatwe do pracy, ale planują testować tańsze metale, takie jak srebro i miedź, aby zmniejszyć koszty.

"Mamy nanoskopową kontrolę nad powłoką nanoszoną na papier", dodał. "Jeśli zwiększymy liczbę warstw, wydajność nadal wzrasta. I to wszystko opiera się na zwykłym papierze".

(KB)