中央大学研究人员在纸上制造新型柔性超级电容器
智能手表、健身追踪器和虚拟现实耳机等可穿戴设备正变得司空见惯。它们由柔性电子设备提供动力，这些电子设备由以塑料或金属箔为基底的电极组成。然而，这两者都有其自身的缺点。塑料的附着力差且耐用性低，而金属箔则使设备体积庞大且柔韧性差。鉴于此，纸是一种很有前途的替代品。它多孔、轻、薄、可折叠且灵活。此外，纸张具有随机分布的纤维，可为沉积活性电极材料提供较大的表面积，从而具有出色的电化学性能。
因此，研究人员开发了各种纸基超级电容器，即通过堆叠多张纸作为正负电极和隔板来储存电荷和能量的设备。然而，这样的布置增加了装置尺寸和电阻。此外，它们往往会形成折痕、剥落和相互滑动，这会进一步降低设备性能。
为了解决这些问题，由 Suk Tai Chang 教授和 Inho Nam 副教授领导的中央大学的一组研究人员最近制造了一种结构，该结构包括垂直集成在一张纸中的多层电极。新颖的设计克服了与堆叠纸张相关的问题，同时保留了纸质基材的固有优势。他们的工作于 2022 年 11 月 2 日在线提供，并于 2023 年 2 月 15 日发表在《化学工程杂志》第 454 卷第 2 部分中 。
Nam 博士简要描述了制造过程：“首先，在滤纸的两面打印并加热防水石蜡层。这形成了一个亲水通道，周围是纸内的蜡屏障。之后，将纸依次浸入金纳米颗粒和金增强溶液中，金增强溶液通过毛细管作用渗透通道，在纸的中间形成金电极。然后在纸的顶面和底面制造类似的电极以获得多层电极平台。”
研究人员通过在金纸电极上沉积二氧化锰(一种活性电极材料)完成超级电容器设计，然后将其浸入聚乙烯醇-硫酸钠凝胶电解质溶液中。凝胶凝固后，他们使用各种电化学测量技术(例如循环伏安法、恒电流充放电和电化学阻抗谱)对二氧化锰-金纸电极进行了表征。
令他们高兴的是，超级电容器设计具有低电阻、高折叠性和良好的机械强度。二氧化锰增加了其活性表面积，进一步提高了电化学性能。此外，该超级电容器还展示了高储能能力，最大面能量密度和功率密度分别为 13.73 μW-hr-cm -2和 1.6 mW-cm -2。此外，即使经过 6000 次充放电循环，它仍能保持其存储容量。
实际上，多层电极超级电容器平台是一种利用二维纸表面作为三维支架的超密集储能装置。此外，它可以在不修改外部线路和电路的情况下用于并行和串行集成电路配置。“我们提出的平台规避了与二维储能板相关的大多数制造挑战。我们相信，我们的研究结果将指导未来制造具有更多多层电极的纸基电子产品，” Chang 教授说。
事实上，这项技术为“纸上成功”这句话带来了全新的变化!
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