Utilizando una técnica simple de recubrimiento capa por capa, los investigadores de los EE. UU. Y Corea han desarrollado un supercondensador flexible basado en papel que podría usarse para ayudar a alimentar dispositivos portátiles. El dispositivo utiliza nanopartículas metálicas para recubrir las fibras de celulosa en el papel,creando electrodos supercondensadores con alta densidad de energía y potencia, y el mejor rendimiento hasta ahora en un supercondensador basado en textiles.
Al implantar materiales conductores y de almacenamiento de carga en el papel, la técnica crea grandes áreas de superficie que funcionan como colectores de corriente y depósitos de nanopartículas para los electrodos. Las pruebas muestran que los dispositivos fabricados con la técnica pueden plegarse miles de veces sin afectar la conductividad.
"Este tipo de dispositivo flexible de almacenamiento de energía podría proporcionar oportunidades únicas para la conectividad entre dispositivos portátiles e internet de las cosas", dijo Seung Woo Lee, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff del Instituto de Tecnología de Georgia. "Podríamosadmitimos una evolución de la electrónica portátil más avanzada. También tenemos la oportunidad de combinar este supercondensador con dispositivos de recolección de energía que podrían alimentar sensores biomédicos, electrónica de consumo y militar, y aplicaciones similares ".
La investigación, realizada con colaboradores de la Universidad de Corea, fue apoyada por la Fundación Nacional de Investigación de Corea e informó el 14 de septiembre en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
Los dispositivos de almacenamiento de energía generalmente se juzgan por tres propiedades: su densidad de energía, densidad de energía y estabilidad de ciclo. Los supercondensadores a menudo tienen alta densidad de energía, pero baja densidad de energía, la cantidad de energía que se puede almacenar, en comparación con las baterías, quea menudo tienen los atributos opuestos. Al desarrollar su nueva técnica, Lee y su colaborador Jinhan Cho del Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la Universidad de Corea se propusieron aumentar la densidad de energía de los supercondensadores y mantener su alta potencia de salida.
Los investigadores comenzaron sumergiendo muestras de papel en un vaso de precipitados de solución que contenía un material tensioactivo de amina diseñado para unir las nanopartículas de oro al papel. Luego sumergieron el papel en una solución que contenía nanopartículas de oro. Debido a que las fibras son porosas, los tensioactivos ylas nanopartículas ingresan a las fibras y se adhieren fuertemente, creando un recubrimiento conforme en cada fibra.
Al repetir los pasos de inmersión, los investigadores crearon un papel conductor en el que agregaron capas alternas de materiales de almacenamiento de energía de óxido de metal como el óxido de manganeso. El enfoque capa por capa mediado por ligando ayudó a minimizar la resistencia de contacto entre el metal vecino y/ o nanonpartículas de óxido de metal. Usando el proceso simple realizado a temperatura ambiente, las capas se pueden construir para proporcionar las propiedades eléctricas deseadas.
"Básicamente es un proceso muy simple", dijo Lee. "El proceso capa por capa, que hicimos en vasos alternos, proporciona un buen recubrimiento conforme a las fibras de celulosa. Podemos doblar el papel metalizado resultante y, de lo contrario, flexionarlosin dañar la conductividad "
Aunque la investigación involucró pequeñas muestras de papel, la técnica basada en la solución podría ampliarse utilizando tanques más grandes o incluso una técnica de rociado. "No debería haber limitación en el tamaño de las muestras que podríamos producir"Lee dijo: "Solo necesitamos establecer el grosor óptimo de la capa que proporcione una buena conductividad al tiempo que minimiza el uso de las nanopartículas para optimizar la compensación entre el costo y el rendimiento".
Los investigadores demostraron que su técnica de autoensamblaje mejora varios aspectos del supercondensador de papel, incluido su rendimiento real, un factor importante para medir los electrodos flexibles de almacenamiento de energía. Se estima la potencia máxima y la densidad de energía de los supercondensadores de papel metálico.ser 15.1mWcm? 2 y 267.3? Wh cm? 2, respectivamente, superando sustancialmente a los supercondensadores convencionales de papel o textiles.
Los próximos pasos incluirán probar la técnica en telas flexibles y desarrollar baterías flexibles que puedan funcionar con los supercondensadores. Los investigadores usaron nanopartículas de oro porque son fáciles de trabajar, pero planean probar metales menos costosos como plata y cobrepara reducir el costo
Durante su trabajo de doctorado, Lee desarrolló el proceso de autoensamblaje capa por capa para el almacenamiento de energía utilizando diferentes materiales. Con sus colaboradores coreanos, vio una nueva oportunidad para aplicar eso a dispositivos flexibles y portátiles con nanopartículas.
"Tenemos un control a nanoescala sobre el revestimiento aplicado al papel", agregó. "Si aumentamos el número de capas, el rendimiento continúa aumentando. Y todo se basa en el papel ordinario".
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Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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