Fotografie della carta originale e della carta rivestita con nanoparticelle d'oro, che può essere utilizzato per illuminare i LED. Credito:Ko et al. Pubblicato in Comunicazioni sulla natura .
Rivestendo la carta ordinaria con strati di nanoparticelle d'oro e altri materiali, i ricercatori hanno fabbricato supercondensatori di carta flessibili che mostrano le migliori prestazioni di qualsiasi supercondensatore di tipo tessile fino ad oggi. In particolare, i supercondensatori di carta affrontano una delle maggiori sfide in questo settore, ovvero raggiungere un'elevata densità di energia oltre a una già elevata densità di potenza, poiché entrambe le proprietà sono essenziali per realizzare dispositivi di accumulo di energia ad alte prestazioni. Nel futuro, i supercondensatori di carta flessibili potrebbero essere utilizzati nell'elettronica indossabile per applicazioni biomediche, consumatore, e applicazioni militari.
I ricercatori, guidato da Seung Woo Lee al Georgia Institute of Technology e Jinhan Cho alla Korea University, hanno pubblicato un articolo sugli elettrodi supercondensatori di carta flessibile in un recente numero di Comunicazioni sulla natura .
Come dispositivi di accumulo di energia, i supercondensatori hanno diversi vantaggi rispetto alle batterie, come una maggiore densità di potenza, velocità di carica/scarica rapida, e una vita più lunga, tuttavia sono in ritardo rispetto alle batterie nella densità di energia (la quantità di energia che può essere immagazzinata in una data quantità di spazio). Sebbene siano stati tentati diversi metodi per migliorare la densità di energia dei supercondensatori di carta rivestendoli con vari materiali conduttivi, spesso questi metodi hanno lo svantaggio di ridurre la densità di potenza.
Come spiegano i ricercatori nel loro articolo, la chiave per ottenere buone prestazioni a tutto tondo utilizzando metodi di rivestimento è controllare attentamente la quantità di carico dei materiali conduttivi e attivi (come le nanoparticelle metalliche) che sono incorporati nel supercondensatore di carta e che determinano molte delle sue proprietà elettrochimiche.
Per fare questo, i ricercatori hanno utilizzato un processo di assemblaggio strato per strato, in cui singoli strati di nanoparticelle d'oro vengono depositati sulla carta. Alternando selettivamente strati pseudocapacitivi e strati metallici, i ricercatori potrebbero controllare la quantità di carico e ottenere un'alta densità di nanoparticelle, che contribuisce ad un'elevata capacità e ad alta densità di energia. Un altro vantaggio di questo metodo è che la deposizione strato per strato consente alla carta di mantenere la sua struttura altamente porosa, che migliora le sue prestazioni fornendo un breve percorso di trasporto per le particelle cariche.
"Gli elettrodi di carta basati su nanoparticelle metalliche assemblate strato per strato mostrano una conduttività elettrica simile al metallo, proprietà meccaniche simili alla carta, e un'ampia superficie senza alcun trattamento termico e/o pressatura meccanica, " ha detto il coautore Yongmin Ko della Korea University Phys.org . "L'inserimento periodico di nanoparticelle metalliche all'interno di elettrodi di carta a base di nanoparticelle ad alta energia potrebbe risolvere il compromesso critico in cui un aumento della quantità di caricamento dei materiali per migliorare la densità di energia dei supercondensatori riduce la densità di potenza".
Negli esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che questo metodo di assemblaggio migliora diverse caratteristiche chiave del supercondensatore di carta. La sua performance in area, considerata un fattore importante nella valutazione di flessibilità, elettrodi di accumulo di energia a base tessile indossabili, è significativamente migliore di quello di qualsiasi supercondensatore di carta flessibile precedentemente riportato. La massima potenza areale e le densità di energia del nuovo supercondensatore sono 15,1 m/cm 2 e 267,3 μWh/cm 2 , rispettivamente. I ricercatori si aspettano che questi valori possano essere ulteriormente migliorati aumentando il numero di strati.
I test hanno anche dimostrato che i supercondensatori in carta flessibile avevano una capacità massima superiore a qualsiasi supercondensatore a base tessile precedentemente riportato. Inoltre, i nuovi dispositivi mostrano un'eccellente ritenzione di capacità, dimostrato da una ritenzione della capacità del 90% dopo 5, 000 cicli di piegatura.
I ricercatori si aspettano che le tecniche utilizzate qui possano essere applicate a supercondensatori di carta di varie forme, dimensioni, e superfici, così come supercondensatori basati su materiali di carbonio derivati da biomassa anziché carta, e altri tipi di dispositivi.
"Ora abbiamo esteso il nostro approccio alle batterie, dispositivi triboelettrici, sensori elettrochimici, e vari altri elettrodi flessibili che richiedono una conduttività simile al metallo e un'area superficiale elevata, " disse Ko.
© 2017 Phys.org
