美韩高校联合开发迄今性能最佳的纸质超级电容器，有望为军用电子产品供电

 10月，来自美韩高校的研究人员采用一种简单的逐层涂覆技术，开发了一种纸质柔性超级电容器，能为可穿戴设备供电。该超级电容器使用金属纳米颗粒在纸中涂覆纤维素纤维，创造出具备高能量和高功率密度的超级电容器电极，实现了迄今为止具备最佳性能的基于纺织品的超级电容器。

　　技术背景

　　能量存储装置通常根据三种指标来判断：能量密度、功率密度和循环稳定性。与电池相比，超级电容器通常具有高功率密度，但是能量密度低，即比电池的存储电量的能力差。为了改善这种情况，美国佐治亚理工学院机械工程学院助理教授Seung Woo Lee及其来自高丽大学化学与生物工程系的合作者Jinhan Cho着手提高超级电容器的能量密度，同时保持其高功率产出。

　　技术概要

　　新的纸质电容器技术通过在纸中注入导电和电荷储存材料，产生大的表面积，用作电极的集流器和纳米颗粒储存器。测试表明，使用该技术制造的电容器可以折叠数千次而不影响电导率。

　　实现过程

　　研究人员首先将纸样品浸入含有胺表面活性剂材料的溶液的烧杯中，这种溶液用于将金纳米颗粒粘连到纸上。接下来，将纸浸入含有金纳米颗粒的溶液中。由于纤维是多孔的，所以表面活性剂和纳米颗粒进入纤维并变得牢固附着，在每条纤维上形成保形涂层。

　　通过重复浸渍步骤，研究人员创造了一种导电纸，在其上添加了金属氧化物储能材料的交替层，如氧化锰。这种由配体介导的逐层工艺方法有助于最小化相邻金属和/或金属氧化物纳米颗粒之间的接触电阻。使用在室温下完成的简单工艺，可以构建层以提供所需的电性能。

　　Lee表示，这基本上是一个非常简单的过程，这种逐层工艺直接在烧杯中交替进行操作，在纤维素纤维上提供了良好的保形涂层，因此可以折叠所得到的金属化纸而不损坏导电性。

　　上图左侧为普通纸张，右侧为加入金属纳米颗粒的导电纸新技术优势

　　研究人员表示，他们的逐层组装技术改进了纸质超级电容器的几个方面，包括区域性能，这是测量柔性储能电极的一个重要因素。该金属纸质超级电容器的最大功率和能量密度分别为15.1mW/cm2和267.3μW/cm2，两个指标基本上优于常规纸质或纺织超级电容器。

　　Lee表示，我们对施涂在纸上的涂层进行了纳米级控制，如果增加层数，性能将继续增加，而这一切都是以普通纸为基础的。

　　虽然这项研究采用的纸张样本小，但是基于解决方案的技术要求，完全可以使用更大的存储池甚至喷涂技术将其放大使用。Lee还表示，可以生产的样品大小应该没有限制，只需要建立最佳的层厚度，以提供良好的导电性，同时最大限度地减少纳米颗粒的使用，以在成本与性能之间的权衡中做出优化。

　　应用前景

　　Lee表示，这种灵活的储能装置能够为可穿戴设备和物联网设备之间提供独特的连接方式，可以支持最先进的便携式电子产品的发展，同样还有机会将柔性电容器与能量收集装置结合，为生物医学传感器、消费电子和军用电子产品等应用供电。

　　资金及成果发表

　　该项研究成果是美国佐治亚理工学院与韩国高丽大学合作进行的，研究得到了韩国国家研究基金会的支持，成果在国际学术权威刊物“自然通讯”杂志上发表。

　　下一步工作

　　接下来将测试柔性织物上的技术，以及开发可与超级电容器配合使用的柔性电池。研究人员使用金纳米颗粒，是因为它们易于使用，但接下来计划测试成本较低的金属，如银和铜，以降低成本。