新的纸质超级电容器用金属纳米粒子显著提升能量密度

导读：美国和韩国的国际研究团队近期研发出一种新的纸质超级电容器，使用纳米材料——金属纳米粒子提升能量密度，表现出迄今为止任何纺织型超级电容器都比不上的最佳性能，折叠数千次也不影响电导率，未来可用于为生物医学、消费或军事应用的可穿戴电子产品充电。

如果电池是能量储存界的马拉松长跑选手，那么超级电容器就是短跑冲刺选手。虽然不像电池具高能量密度，却有高功率密度，可在短时间释放大量电力。来自美国和韩国的国际研究团队近期研发出一种新的纸质超级电容器，使用金属纳米粒子这种纳米材料提升能量密度，表现出迄今为止任何纺织型超级电容器都比不上的最佳性能，折叠数千次也不影响电导率，未来可用于为生物医学、消费或军事应用的可穿戴电子产品充电。

超级电容器（supercapacitor）不同于传统的化学电池，是一种介于传统电容器与电池之间、具特殊性能的电源，可反覆充放电达数十万次，其工作原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。

蓄能设备通常根据 3 种性质来判断：能量密度、功率密度和循环稳定性，与能量密度高但功率密度低的电池相比（能长时间储存能量，但也只能在相对涓流中释放电力），超级电容器恰好完全相反，它们可立即发布大量电力，具功率密度高、充放电速度快、使用寿命长等优点，但能量密度落后电池。过去有许多尝试利用各种导电材料来涂覆纸质超级电容器以提高能量密度的方法，但通常这些方法会有降低功率密度的缺点。

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

想要保留超级电容器的高功率密度同时提升能量密度，必须仔细控制注入柔性纸质超级电容器的导电和电荷存储材料（如金属纳米粒子）。该团队将纸张重复浸渍在含有胺的表面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级电容器电极的导电纸。

▲ 左边为一般纸张，右边为嵌入金属纳米粒子的导电纸。（乔治亚理工学院）

接着再透过称为“配体介导”（ligand-mediated）的逐层组装方法，在纸上交替添加金属氧化物材料层（如氧化锰），这种方法可以最小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面积的高度多孔金属纸，当作超级电容器电极的集电器和纳米粒子储存器，透过在假电容层和金属层间选择性交替，研究人员可控制负载量并制成高密度的纳米粒子。该方法的另一个优点是逐层沉积允许纸张保持多孔结构，为带电粒子提供短输送路线来增强其性能，且就算折叠纸张也不损坏导电性。

实验结果发现，导电纸的金属和假电容纳米粒子的交替结构设计，明显提高了电容量和速率，内阻则显著降低，最大功率密度和能量密度估计为 15.1（mW/cm2 ）和 267.3（μWh/cm2 ），基本上超过传统纸或纺织型超级电容器的性能，研究人员还期望借由增加层数来让性能更进一步。

接下来，研究团队将计划开发可与超级电容器配合使用的柔性电池。研究主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 表示，这种灵活的储能设备可用在最先进的便携式电子产品，比如生物医学感测器、消费电子或军事电子产品等。 来源：科技新报