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史上机能最高的纸质超等电容器,是若何炼成的?

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电池是能量贮存界的马拉松长跑选手,那么超等电容器就是短跑冲刺选手。固然不像电池具高能量密度,却有高功率密度,可在短功夫开释大量电力。来自美国和韩国的国际钻研团队近期研发出一种新的纸质超等电容器,使用金属纳米粒子提升能量密度,阐发出迄今为止任何纺织型超等电容器都比不上的最佳机能,折叠数千次也不影响电导率,将来可用于为生物医学、消费或军事利用的可穿戴电子产品充电。


超等电容器(supercapacitor)分歧于传统的化学电池,是一种介于传统电容器与电池之间、具特殊机能的电源,可反覆充放电达数十万次,其工作道理是利用活性碳多孔电极和电解质组成的双电层结构来获得超大电容量。

蓄能设备通常凭据3 种性质来判断:能量密度、功率密度和循环不变性,与能量密度高但功率密度低的电池相比(能长功夫贮存能量,但也只能在相对涓流中开释电力),超等电容器刚好齐全相反,它们可立即颁布大量电力,具功率密度高、充放电速度快、使用寿命长蹬着点,但能量密度落后电池。从前有很多尝试利用各类导电资料来涂覆纸质超等电容器以提高能量密度的步骤,但通常这些步骤会有降低功率密度的弊端。


美国乔治亚理工学院与韩国大学近期颁布了一份关于柔性纸质超等电容器的论文在《天然通讯》期刊,透过使用单一的逐层涂覆技术,创造出具高能量密度和高功率密度的超等电容器电极,以及迄今为止在已知纺织品超等电容器中的最佳机能。

想要保留超等电容器的高功率密度同时提升能量密度,必须仔细节造注入柔性纸质超等电容器的导电和电荷存储资料(如金属纳米粒子)。该团队将纸张沉复浸渍在含有胺的表表活性剂溶液和金属纳米粒子溶液中,成功得到一张以金属纳米粒子为纸质超等电容器电极的导电纸。

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透过称为“配体介导”(ligand-mediated)的逐层组装步骤,在纸上交替增长金属氧化物资料层(如氧化锰),这种步骤能够最幼化相邻金属或金属氧化物纳米粒子间的接触电阻,将绝缘纸转换成有大表表积的高度多孔金属纸,当作超等电容器电极的集电器和纳米粒子贮存器,透过在假电容层和金属层间选择性交替,钻研人员可节造负载量并造成高密度的纳米粒子。该步骤的另一个利益是逐层沉积允许纸张维持多孔结构,为带电粒子提供短输送路线来加强其机能,且就算折叠纸张也不败坏导电性。


尝试了局发现,导电纸的金属和假电包容米粒子的交替结构设计,显著提高了电容量和速度,内阻则显着降低,最大功率密度和能量密度估计为15.1(mW/cm2 )和267.3(μWh /cm2 ),根基上超过传统纸或纺织型超等电容器的机能,钻研人员还进展借由增长层数来让机能更进一步。

接下来,钻研团队将打算开发可与超等电容器共同使用的柔性电池。钻研重要作者之一美国乔治亚理工学院机械工程学院助理教授 Seung Woo Lee 暗示,这种矫捷的储能设备可用在最先进的便携式电子产品,好比生物医学感测器、消费电子或军事电子产品等。


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标签:   电容器 配体介导 电子产品
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