Fotografías del papel original y del papel recubierto con nanopartículas de oro, que se puede utilizar para encender LED. Crédito:Ko et al. Publicado en Comunicaciones de la naturaleza .
Recubriendo papel ordinario con capas de nanopartículas de oro y otros materiales, Los investigadores han fabricado supercondensadores de papel flexible que exhiben el mejor rendimiento de cualquier supercondensador de tipo textil hasta la fecha. En particular, los supercondensadores de papel abordan uno de los mayores desafíos en esta área, que es lograr una alta densidad de energía además de una densidad de potencia ya alta, ya que ambas propiedades son esenciales para realizar dispositivos de almacenamiento de energía de alto rendimiento. En el futuro, Los supercondensadores de papel flexibles podrían usarse en dispositivos electrónicos portátiles para aplicaciones biomédicas, consumidor, y aplicaciones militares.
Los investigadores, dirigido por Seung Woo Lee en el Instituto de Tecnología de Georgia y Jinhan Cho en la Universidad de Corea, han publicado un artículo sobre los electrodos supercondensadores de papel flexible en una edición reciente de Comunicaciones de la naturaleza .
Como dispositivos de almacenamiento de energía, los supercondensadores tienen varias ventajas sobre las baterías, como una mayor densidad de potencia, velocidad de carga / descarga rápida, y una vida útil más larga, sin embargo, van a la zaga de las baterías en cuanto a densidad de energía (la cantidad de energía que se puede almacenar en una determinada cantidad de espacio). Aunque se han intentado varios métodos para mejorar la densidad de energía de los supercondensadores de papel recubriéndolos con varios materiales conductores, a menudo, estos métodos tienen el inconveniente de reducir la densidad de potencia.
Como explican los investigadores en su artículo, La clave para lograr un buen rendimiento general utilizando métodos de recubrimiento es controlar cuidadosamente la cantidad de carga de los materiales conductores y activos (como las nanopartículas metálicas) que se incorporan al supercondensador de papel y que determinan muchas de sus propiedades electroquímicas.
Para hacer esto, los investigadores utilizaron un proceso de ensamblaje capa por capa, en el que se depositan sobre el papel capas individuales de nanopartículas de oro. Al alternar selectivamente entre capas pseudocapacitivas y capas metálicas, los investigadores pudieron controlar la cantidad de carga y lograr una alta densidad de nanopartículas, lo que contribuye a una alta capacidad y alta densidad energética. Otra ventaja de este método es que la deposición capa por capa permite que el papel mantenga su estructura altamente porosa. lo que mejora su rendimiento al proporcionar una ruta de transporte corta para partículas cargadas.
"Los electrodos de papel basados en nanopartículas de metal ensambladas capa por capa exhiben una conductividad eléctrica similar al metal, propiedades mecánicas similares al papel, y una gran superficie sin ningún tratamiento térmico y / o prensado mecánico, ", dijo el coautor Yongmin Ko de la Universidad de Corea Phys.org . "La inserción periódica de nanopartículas metálicas dentro de electrodos de papel basados en nanopartículas de alta energía podría resolver el compromiso crítico en el que un aumento en la cantidad de carga de materiales para mejorar la densidad de energía de los supercondensadores disminuye la densidad de potencia".
En experimentos, los investigadores demostraron que este método de ensamblaje mejora varias características clave del supercondensador de papel. Su desempeño en el área, que se considera un factor importante en la evaluación de electrodos portátiles de almacenamiento de energía basados en textiles:es significativamente mejor que el de cualquier supercondensador de papel flexible informado anteriormente. Las densidades máximas de energía y potencia de área del nuevo supercondensador son 15,1 m / cm 2 y 267,3 μWh / cm 2 , respectivamente. Los investigadores esperan que estos valores se puedan mejorar aún más aumentando el número de capas.
Las pruebas también mostraron que los supercondensadores de papel flexible tenían una capacitancia máxima que es más alta que cualquier supercondensador de base textil reportado anteriormente. Además, los nuevos dispositivos exhiben una excelente capacidad de retención, demostrado por una retención de capacidad del 90% después de 5, 000 ciclos de plegado.
Los investigadores esperan que las técnicas utilizadas aquí se puedan aplicar a supercondensadores de papel de varias formas, tamaños y superficies, así como supercondensadores basados en materiales de carbono derivados de biomasa en lugar de papel, y otros tipos de dispositivos.
"Ahora hemos ampliado nuestro enfoque a las baterías, dispositivos triboeléctricos, sensores electroquímicos, y varios otros electrodos flexibles que requieren una conductividad similar al metal y una gran superficie, "Dijo Ko.
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