史上性能最高的紙質超級電容器,用金屬奈米粒子提升能量密度

作者 | 發布日期 2017 年 10 月 16 日 8:24 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 材料、設備 follow us in feedly

如果電池是能量儲存界的馬拉松長跑選手,那麼超級電容器就是短跑衝刺選手。雖然不像電池具高能量密度,卻有高功率密度,可在短時間釋放大量電力。來自美國和南韓的國際研究團隊近期研發出一種新的紙質超級電容器,使用金屬奈米粒子提升能量密度,表現出迄今為止任何紡織型超級電容器都比不上的最佳性能,折疊數千次也不影響電導率,未來可用於為生物醫學、消費或軍事應用的可穿戴電子產品充電。



超級電容器(supercapacitor)不同於傳統的化學電池,是一種介於傳統電容器與電池之間、具特殊性能的電源,可反覆充放電達數十萬次,其工作原理是利用活性碳多孔電極和電解質組成的雙電層結構來獲得超大電容量。

蓄能裝置通常根據 3 種性質來判斷:能量密度、功率密度和循環穩定性,與能量密度高但功率密度低的電池相比(能長時間儲存能量,但也只能在相對涓流中釋放電力),超級電容器恰好完全相反,它們可立即釋出大量電力,具功率密度高、充放電速度快、使用壽命長等優點,但能量密度落後電池。過去有許多嘗試利用各種導電材料來塗覆紙質超級電容器以提高能量密度的方法,但通常這些方法會有降低功率密度的缺點。

美國喬治亞理工學院與韓國大學近期發表了一份關於柔性紙質超級電容器的論文在《自然通訊》期刊,透過使用簡單的逐層塗覆技術,創造出具高能量密度和高功率密度的超級電容器電極,以及迄今為止在已知紡織品超級電容器中的最佳性能。

想要保留超級電容器的高功率密度同時提升能量密度,必須仔細控制注入柔性紙質超級電容器的導電和電荷存儲材料(如金屬奈米粒子)。該團隊將紙張重複浸漬在含有胺的表面活性劑溶液和金屬奈米粒子溶液中,成功得到一張以金屬奈米粒子為紙質超級電容器電極的導電紙。

▲ 左邊為一般紙張,右邊為嵌入金屬奈米粒子的導電紙。(Source:喬治亞理工學院

接著再透過稱為「配體介導」(ligand-mediated)的逐層組裝方法,在紙上交替添加金屬氧化物材料層(如氧化錳),這種方法可以最小化相鄰金屬或金屬氧化物奈米粒子間的接觸電阻,將絕緣紙轉換成有大表面積的高度多孔金屬紙,當作超級電容器電極的集電器和奈米粒子儲存器,透過在假電容層和金屬層間選擇性交替,研究人員可控制負載量並製成高密度的奈米粒子。該方法的另一個優點是逐層沉積允許紙張保持多孔結構,為帶電粒子提供短輸送路線來增強其性能,且就算折疊紙張也不損壞導電性。

實驗結果發現,導電紙的金屬和假電容奈米粒子的交替結構設計,明顯提高了電容量和速率,內阻則顯著降低,最大功率密度和能量密度估計為 15.1(mW/cm)和 267.3(μWh/cm),基本上超過傳統紙或紡織型超級電容器的性能,研究人員還期望藉由增加層數來讓性能更進一步。

接下來,研究團隊將計畫開發可與超級電容器配合使用的柔性電池。研究主要作者之一美國喬治亞理工學院機械工程學院助理教授 Seung Woo Lee 表示,這種靈活的儲能裝置可用在最先進的便攜式電子產品,比如生物醫學感測器、消費電子或軍事電子產品等。

註 1:能量密度(Wh/kg)指的是每單位重量的電池可以儲存的能量(1 Wh = 3600 焦耳能量);功率密度(W/kg)指的則是每單位重量(或體積)的電池在放電時輸出能量的速率。
註 2:喬治亞理工學院,與麻省理工學院、加州理工學院並稱為美國三大理工學院,素有南方 MIT 之稱。

(首圖來源:喬治亞理工學院)