Fotografias do papel original e do papel revestido com nanopartículas de ouro, que pode ser usado para acender LEDs. Crédito:Ko et al. Publicado em Nature Communications .
Ao revestir papel comum com camadas de nanopartículas de ouro e outros materiais, os pesquisadores fabricaram supercapacitores de papel flexível que apresentam o melhor desempenho de qualquer supercapacitor do tipo têxtil até o momento. Em particular, os supercapacitores de papel abordam um dos maiores desafios nesta área, que é alcançar uma alta densidade de energia, além de uma já alta densidade de energia, uma vez que ambas as propriedades são essenciais para a realização de dispositivos de armazenamento de energia de alto desempenho. No futuro, supercapacitores de papel flexível podem ser usados em eletrônicos vestíveis para biomédicos, consumidor, e aplicações militares.
Os pesquisadores, liderado por Seung Woo Lee no Instituto de Tecnologia da Geórgia e Jinhan Cho na Universidade da Coreia, publicaram um artigo sobre os eletrodos de supercapacitores de papel flexível em uma edição recente da Nature Communications .
Como dispositivos de armazenamento de energia, os supercapacitores têm várias vantagens sobre as baterias, como uma densidade de potência mais alta, taxa de carga / descarga rápida, e vida útil mais longa, ainda assim, eles ficam atrás das baterias em densidade de energia (a quantidade de energia que pode ser armazenada em uma determinada quantidade de espaço). Embora vários métodos tenham sido tentados para melhorar a densidade de energia dos supercapacitores de papel, revestindo-os com vários materiais condutores, frequentemente, esses métodos têm a desvantagem de reduzir a densidade de potência.
Como os pesquisadores explicam em seu artigo, a chave para alcançar um bom desempenho geral usando métodos de revestimento é controlar cuidadosamente a quantidade de carga dos materiais condutores e ativos (como nanopartículas de metal) que são incorporados ao supercapacitor de papel e que determinam muitas de suas propriedades eletroquímicas.
Para fazer isso, os pesquisadores usaram um processo de montagem camada por camada, em que camadas únicas de nanopartículas de ouro são depositadas no papel. Alternando seletivamente entre camadas pseudocapacitivas e camadas de metal, os pesquisadores puderam controlar a quantidade de carregamento e alcançar uma alta densidade de nanopartículas, o que contribui para uma alta capacidade e alta densidade de energia. Outra vantagem deste método é que a deposição camada por camada permite que o papel mantenha sua estrutura altamente porosa, o que melhora seu desempenho, fornecendo uma rota de transporte curta para partículas carregadas.
"Os eletrodos de papel baseados em nanopartículas de metal montadas camada por camada exibem condutividade elétrica semelhante à do metal, propriedades mecânicas semelhantes às do papel, e uma grande área de superfície sem qualquer tratamento térmico e / ou prensagem mecânica, "disse o co-autor Yongmin Ko da Universidade da Coreia Phys.org . "A inserção periódica de nanopartículas de metal dentro de eletrodos de papel à base de nanopartículas de alta energia pode resolver o problema crítico em que um aumento na quantidade de carga de materiais para aumentar a densidade de energia dos supercapacitores diminui a densidade de potência."
Em experimentos, os pesquisadores demonstraram que este método de montagem melhora várias características-chave do supercapacitor de papel. Seu desempenho de área, que é considerado um fator importante na avaliação de flexibilidade, eletrodos de armazenamento de energia baseados em têxteis vestíveis - são significativamente melhores do que qualquer supercapacitor de papel flexível relatado anteriormente. A potência máxima de área e as densidades de energia do novo supercapacitor são 15,1 m / cm 2 e 267,3 μWh / cm 2 , respectivamente. Os pesquisadores esperam que esses valores possam ser melhorados com o aumento do número de camadas.
Os testes também mostraram que os supercapacitores de papel flexível tinham uma capacitância máxima que é maior do que qualquer supercapacitor baseado em têxteis relatado anteriormente. Além disso, os novos dispositivos exibem uma excelente retenção de capacidade, demonstrado por uma retenção de capacidade de 90% após 5, 000 ciclos de dobra.
Os pesquisadores esperam que as técnicas usadas aqui possam ser aplicadas a supercapacitores de papel de várias formas, tamanhos, e áreas de superfície, bem como supercapacitores baseados em materiais de carbono derivados de biomassa em vez de papel, e outros tipos de dispositivos.
"Agora estendemos nossa abordagem às baterias, dispositivos triboelétricos, sensores eletroquímicos, e vários outros eletrodos flexíveis que requerem condutividade semelhante a metal e alta área de superfície, "Ko disse.
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