Des photographies du papier original et du papier recouvert de nanoparticules d'or, qui peut être utilisé pour allumer des LED. Crédit :Ko et al. Publié dans Communication Nature .
En enduisant du papier ordinaire de couches de nanoparticules d'or et d'autres matériaux, les chercheurs ont fabriqué des supercondensateurs en papier flexibles qui présentent les meilleures performances de tous les supercondensateurs de type textile à ce jour. En particulier, les supercondensateurs papier répondent à l'un des plus grands défis dans ce domaine, qui consiste à atteindre une densité d'énergie élevée en plus d'une densité de puissance déjà élevée, car ces deux propriétés sont essentielles pour réaliser des dispositifs de stockage d'énergie performants. À l'avenir, les supercondensateurs en papier flexible pourraient être utilisés dans l'électronique portable pour le biomédical, consommateur, et applications militaires.
Les chercheurs, dirigé par Seung Woo Lee au Georgia Institute of Technology et Jinhan Cho à l'Université de Corée, ont publié un article sur les électrodes de supercondensateur en papier flexible dans un récent numéro de Communication Nature .
En tant que dispositifs de stockage d'énergie, les supercondensateurs ont plusieurs avantages par rapport aux batteries, comme une densité de puissance plus élevée, taux de charge/décharge rapide, et une durée de vie plus longue, pourtant, ils sont à la traîne des batteries en densité d'énergie (la quantité d'énergie qui peut être stockée dans un espace donné). Bien que plusieurs méthodes aient été tentées pour améliorer la densité énergétique des supercondensateurs en papier en les enduisant de divers matériaux conducteurs, souvent ces méthodes ont l'inconvénient de réduire la densité de puissance.
Comme l'expliquent les chercheurs dans leur article, la clé pour obtenir de bonnes performances globales en utilisant des méthodes de revêtement est de contrôler soigneusement la quantité de charge des matériaux conducteurs et actifs (tels que les nanoparticules métalliques) qui sont incorporés dans le supercondensateur en papier et qui déterminent bon nombre de ses propriétés électrochimiques.
Pour faire ça, les chercheurs ont utilisé un processus d'assemblage couche par couche, dans lequel des couches uniques de nanoparticules d'or sont déposées sur le papier. En alternant sélectivement des couches pseudocapacitives et des couches métalliques, les chercheurs ont pu contrôler la quantité de chargement et atteindre une densité élevée de nanoparticules, ce qui contribue à une capacité élevée et à une densité énergétique élevée. Un autre avantage de cette méthode est que le dépôt couche par couche permet au papier de conserver sa structure très poreuse, ce qui améliore ses performances en fournissant une voie de transport courte pour les particules chargées.
"Les électrodes en papier à base de nanoparticules métalliques assemblées couche par couche présentent une conductivité électrique semblable à celle du métal, propriétés mécaniques semblables à celles du papier, et une grande surface sans aucun traitement thermique et/ou pressage mécanique, " a déclaré le co-auteur Yongmin Ko à l'Université de Corée Phys.org . "L'insertion périodique de nanoparticules métalliques dans des électrodes en papier à base de nanoparticules à haute énergie pourrait résoudre le compromis critique dans lequel une augmentation de la quantité de chargement de matériaux pour améliorer la densité énergétique des supercondensateurs diminue la densité de puissance."
Dans les expériences, les chercheurs ont démontré que cette méthode d'assemblage améliore plusieurs caractéristiques clés du supercondensateur en papier. Sa performance surfacique, qui est considérée comme un facteur important dans l'évaluation de la flexibilité, électrodes de stockage d'énergie à base de textile portable - est nettement meilleure que celle de n'importe quel supercondensateur en papier flexible précédemment rapporté. La puissance surfacique et les densités d'énergie maximales du nouveau supercondensateur sont de 15,1 m/cm 2 et 267,3 Wh/cm 2 , respectivement. Les chercheurs s'attendent à ce que ces valeurs puissent être encore améliorées en augmentant le nombre de couches.
Les tests ont également montré que les supercondensateurs en papier flexible avaient une capacité maximale supérieure à celle de tout supercondensateur à base de textile signalé précédemment. En outre, les nouveaux appareils présentent une excellente rétention de capacité, démontré par une rétention de capacité de 90% après 5, 000 cycles de pliage.
Les chercheurs s'attendent à ce que les techniques utilisées ici puissent être appliquées à des supercondensateurs en papier de différentes formes, tailles, et superficies, ainsi que des supercondensateurs à base de matériaux carbonés dérivés de la biomasse au lieu de papier, et d'autres types d'appareils.
« Nous avons désormais étendu notre approche aux batteries, dispositifs triboélectriques, capteurs électrochimiques, et diverses autres électrodes flexibles qui nécessitent une conductivité semblable à un métal et une surface élevée, " dit Ko.
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