美韩大学教授联合改进柔性超级电容器能量密度性能直逼电池

2017-10-14 00:03

近日，使用简单的逐层涂布技术，美国和韩国的研究人员开发了一种纸质柔性超级电容器，该超级电容器具备高能量和高功率密度的极佳性能。

我们通常根据三种性质来判断储能装置的优劣：能量密度、功率密度和循环稳定性。与电池相比，超级电容通常具有高功率密度，但是能量密度低，即超级电容存储电量的能力要弱于电池，但是瞬间充放电能力要优于电池。

所以想要将电容作为储能设备，其低能量密度是最大的限制。为了提高超级电容器的性能，韩国大学化学与生物工程系的Lee和合作者Jinhan Cho就提高超级电容器的能源密度进行研究，同时他们将保持其高功率产出。

实验中，首先，他们将纸样品浸入含有胺表面活性剂材料的溶液的烧杯中，其中，该表面活性剂可以将金纳米颗粒粘合到纸上；接着，他们将纸浸入含有金纳米颗粒的溶液中。由于纸的本质是一种纤维，且纤维是多孔的，所以表面活性剂和纳米颗粒进入纤维后会很牢固的附着在上面，以此在每个纤维上形成共形涂层。

通过重复浸渍步骤，研究人员得到了一张导电纸，随后他们在其上添加了交替层的金属氧化物储能材料，如氧化锰。对这一过程，Lee表示：“这基本上是一个非常简单的过程，我们在烧杯中交替进行操作，为纤维素纤维提供了良好的保形涂层。这样，我们就可以折叠所得到的金属纸而不损坏导电性。”

研究人员表明，他们的自组装技术改进了纸张超级电容，据测试，该金属纸张超级电容器的最大功率和能量密度分别为15．1 mW ／ cm2和267．3 uW ／ cm2，基本超过传统纸张或纺织超级电容。

值得注意的是，此研究中，研究人员使用的是金纳米颗粒，因为该材质颗粒易于使用，但他们计划使用较便宜的金属如银或铜，以降低材料成本。

虽然这项研究涉及到小型纸张样本，但是基于实际应用中解决方案的技术要求，研究人员表示完全可以使用更大的储罐甚至喷涂技术将其放大使用。对于该技术，Lee还补充说：“我们对施涂在纸张上的涂层进行了纳米级控制，如果我们增加层数，性能将继续增加。”

接下来，研究团队将测试柔性织物上的技术，以及开发可与超级电容器配合使用的柔性电池。

关于该技术的应用前景，佐治亚理工学院机械工程学院助理教授Seung Woo Lee表示：“这种灵活的储能装置为可穿戴设备和物联网设备之间提供独特的连接方式，未来它将会应用于生物医学传感器、消费电子和军事电子产品等，将柔性电容与电子设备相结合，它可以推动最先进的便携式电子产品的发展。”

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