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新的紙質(zhì)超級(jí)電容器用金屬納米粒子顯著提升能量密度

發(fā)布時(shí)間:2017-10-26 16:39:37

導(dǎo)讀:美國和韓國的國際研究團(tuán)隊(duì)近期研發(fā)出一種新的紙質(zhì)超級(jí)電容器,使用納米材料——金屬納米粒子提升能量密度,表現(xiàn)出迄今為止任何紡織型超級(jí)電容器都比不上的最佳性能,折疊數(shù)千次也不影響電導(dǎo)率,未來可用于為生物醫(yī)學(xué)、消費(fèi)或軍事應(yīng)用的可穿戴電子產(chǎn)品充電。


紙質(zhì)電容器使用金屬納米離子提升能量密度

如果電池是能量儲(chǔ)存界的馬拉松長跑選手,那么超級(jí)電容器就是短跑沖刺選手。雖然不像電池具高能量密度,卻有高功率密度,可在短時(shí)間釋放大量電力。來自美國和韓國的國際研究團(tuán)隊(duì)近期研發(fā)出一種新的紙質(zhì)超級(jí)電容器,使用金屬納米粒子這種納米材料提升能量密度,表現(xiàn)出迄今為止任何紡織型超級(jí)電容器都比不上的最佳性能,折疊數(shù)千次也不影響電導(dǎo)率,未來可用于為生物醫(yī)學(xué)、消費(fèi)或軍事應(yīng)用的可穿戴電子產(chǎn)品充電。


超級(jí)電容器(supercapacitor)不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電池,是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具特殊性能的電源,可反覆充放電達(dá)數(shù)十萬次,其工作原理是利用活性碳多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)來獲得超大電容量。


蓄能設(shè)備通常根據(jù) 3 種性質(zhì)來判斷:能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性,與能量密度高但功率密度低的電池相比(能長時(shí)間儲(chǔ)存能量,但也只能在相對(duì)涓流中釋放電力),超級(jí)電容器恰好完全相反,它們可立即發(fā)布大量電力,具功率密度高、充放電速度快、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),但能量密度落后電池。過去有許多嘗試?yán)酶鞣N導(dǎo)電材料來涂覆紙質(zhì)超級(jí)電容器以提高能量密度的方法,但通常這些方法會(huì)有降低功率密度的缺點(diǎn)。


美國喬治亞理工學(xué)院與韓國大學(xué)近期發(fā)布了一份關(guān)于柔性紙質(zhì)超級(jí)電容器的論文在《自然通訊》期刊,透過使用簡單的逐層涂覆技術(shù),創(chuàng)造出具高能量密度和高功率密度的超級(jí)電容器電極,以及迄今為止在已知紡織品超級(jí)電容器中的最佳性能。


想要保留超級(jí)電容器的高功率密度同時(shí)提升能量密度,必須仔細(xì)控制注入柔性紙質(zhì)超級(jí)電容器的導(dǎo)電和電荷存儲(chǔ)材料(如金屬納米粒子)。該團(tuán)隊(duì)將紙張重復(fù)浸漬在含有胺的表面活性劑溶液和金屬納米粒子溶液中,成功得到一張以金屬納米粒子為紙質(zhì)超級(jí)電容器電極的導(dǎo)電紙。

左邊為一般紙張,右邊為嵌入金屬納米粒子的導(dǎo)電紙

▲ 左邊為一般紙張,右邊為嵌入金屬納米粒子的導(dǎo)電紙。(喬治亞理工學(xué)院

接著再透過稱為“配體介導(dǎo)”(ligand-mediated)的逐層組裝方法,在紙上交替添加金屬氧化物材料層(如氧化錳),這種方法可以最小化相鄰金屬或金屬氧化物納米粒子間的接觸電阻,將絕緣紙轉(zhuǎn)換成有大表面積的高度多孔金屬紙,當(dāng)作超級(jí)電容器電極的集電器和納米粒子儲(chǔ)存器,透過在假電容層和金屬層間選擇性交替,研究人員可控制負(fù)載量并制成高密度的納米粒子。該方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是逐層沉積允許紙張保持多孔結(jié)構(gòu),為帶電粒子提供短輸送路線來增強(qiáng)其性能,且就算折疊紙張也不損壞導(dǎo)電性。


實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),導(dǎo)電紙的金屬和假電容納米粒子的交替結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),明顯提高了電容量和速率,內(nèi)阻則顯著降低,最大功率密度和能量密度估計(jì)為 15.1(mW/cm2 )和 267.3(μWh/cm2 ),基本上超過傳統(tǒng)紙或紡織型超級(jí)電容器的性能,研究人員還期望借由增加層數(shù)來讓性能更進(jìn)一步。


接下來,研究團(tuán)隊(duì)將計(jì)劃開發(fā)可與超級(jí)電容器配合使用的柔性電池。研究主要作者之一美國喬治亞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院助理教授 Seung Woo Lee 表示,這種靈活的儲(chǔ)能設(shè)備可用在最先進(jìn)的便攜式電子產(chǎn)品,比如生物醫(yī)學(xué)感測器、消費(fèi)電子或軍事電子產(chǎn)品等。 來源:科技新報(bào)


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