新的紙質(zhì)超級電容器用金屬納米粒子顯著提升能量密度

導(dǎo)讀：美國和韓國的國際研究團(tuán)隊近期研發(fā)出一種新的紙質(zhì)超級電容器，使用納米材料——金屬納米粒子提升能量密度，表現(xiàn)出迄今為止任何紡織型超級電容器都比不上的最佳性能，折疊數(shù)千次也不影響電導(dǎo)率，未來可用于為生物醫(yī)學(xué)、消費(fèi)或軍事應(yīng)用的可穿戴電子產(chǎn)品充電。

如果電池是能量儲存界的馬拉松長跑選手，那么超級電容器就是短跑沖刺選手。雖然不像電池具高能量密度，卻有高功率密度，可在短時間釋放大量電力。來自美國和韓國的國際研究團(tuán)隊近期研發(fā)出一種新的紙質(zhì)超級電容器，使用金屬納米粒子這種納米材料提升能量密度，表現(xiàn)出迄今為止任何紡織型超級電容器都比不上的最佳性能，折疊數(shù)千次也不影響電導(dǎo)率，未來可用于為生物醫(yī)學(xué)、消費(fèi)或軍事應(yīng)用的可穿戴電子產(chǎn)品充電。

超級電容器（supercapacitor）不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電池，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具特殊性能的電源，可反覆充放電達(dá)數(shù)十萬次，其工作原理是利用活性碳多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)來獲得超大電容量。

蓄能設(shè)備通常根據(jù) 3 種性質(zhì)來判斷：能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性，與能量密度高但功率密度低的電池相比（能長時間儲存能量，但也只能在相對涓流中釋放電力），超級電容器恰好完全相反，它們可立即發(fā)布大量電力，具功率密度高、充放電速度快、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但能量密度落后電池。過去有許多嘗試?yán)酶鞣N導(dǎo)電材料來涂覆紙質(zhì)超級電容器以提高能量密度的方法，但通常這些方法會有降低功率密度的缺點(diǎn)。

美國喬治亞理工學(xué)院與韓國大學(xué)近期發(fā)布了一份關(guān)于柔性紙質(zhì)超級電容器的論文在《自然通訊》期刊，透過使用簡單的逐層涂覆技術(shù)，創(chuàng)造出具高能量密度和高功率密度的超級電容器電極，以及迄今為止在已知紡織品超級電容器中的最佳性能。

想要保留超級電容器的高功率密度同時提升能量密度，必須仔細(xì)控制注入柔性紙質(zhì)超級電容器的導(dǎo)電和電荷存儲材料（如金屬納米粒子）。該團(tuán)隊將紙張重復(fù)浸漬在含有胺的表面活性劑溶液和金屬納米粒子溶液中，成功得到一張以金屬納米粒子為紙質(zhì)超級電容器電極的導(dǎo)電紙。

▲ 左邊為一般紙張，右邊為嵌入金屬納米粒子的導(dǎo)電紙。（喬治亞理工學(xué)院）

接著再透過稱為“配體介導(dǎo)”（ligand-mediated）的逐層組裝方法，在紙上交替添加金屬氧化物材料層（如氧化錳），這種方法可以最小化相鄰金屬或金屬氧化物納米粒子間的接觸電阻，將絕緣紙轉(zhuǎn)換成有大表面積的高度多孔金屬紙，當(dāng)作超級電容器電極的集電器和納米粒子儲存器，透過在假電容層和金屬層間選擇性交替，研究人員可控制負(fù)載量并制成高密度的納米粒子。該方法的另一個優(yōu)點(diǎn)是逐層沉積允許紙張保持多孔結(jié)構(gòu)，為帶電粒子提供短輸送路線來增強(qiáng)其性能，且就算折疊紙張也不損壞導(dǎo)電性。

實(shí)驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電紙的金屬和假電容納米粒子的交替結(jié)構(gòu)設(shè)計，明顯提高了電容量和速率，內(nèi)阻則顯著降低，最大功率密度和能量密度估計為 15.1（mW/cm2 ）和 267.3（μWh/cm2 ），基本上超過傳統(tǒng)紙或紡織型超級電容器的性能，研究人員還期望借由增加層數(shù)來讓性能更進(jìn)一步。

接下來，研究團(tuán)隊將計劃開發(fā)可與超級電容器配合使用的柔性電池。研究主要作者之一美國喬治亞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院助理教授 Seung Woo Lee 表示，這種靈活的儲能設(shè)備可用在最先進(jìn)的便攜式電子產(chǎn)品，比如生物醫(yī)學(xué)感測器、消費(fèi)電子或軍事電子產(chǎn)品等。 來源：科技新報