研究人员在纸上制造新型柔性超级电容器

智能手表、健身追踪器和虚拟现实耳机等可穿戴设备正变得司空见惯。它们由柔性电子设备供电，这些电子设备由以塑料或金属箔作为基板的电极组成。但是，这两者都有其自身的缺点。塑料的附着力差，耐用性低，而金属箔使设备笨重且柔韧性降低。

有鉴于此，纸张是一种有前途的选择。它是多孔的、轻的、薄的、可折叠的和灵活的。此外，纸具有随机分布的纤维，为沉积活性电极材料提供了较大的表面积，从而具有出色的电化学性能。

因此，研究人员开发了各种纸基超级电容器，通过堆叠多张纸来存储电荷和能量的设备，充当正极和负极和隔板。然而，这种布置增加了器件尺寸和电阻。此外，它们往往会形成折痕、剥落和相互滑动，从而进一步降低设备性能。

为了解决这些问题，由Suk Tai Chang教授和Inho Nam副教授领导的中央大学一组研究人员最近制造了一种结构，该结构由垂直集成在一张纸中的多层电极组成。新颖的设计克服了与堆叠片材相关的问题，同时保留了纸基材的固有优势。他们的工作发表在化学工程杂志上。

Nam博士简要描述了制造过程：“首先，在滤纸的两面打印并加热防水石蜡层。这形成了一个被纸张内的蜡屏障包围的水友好通道。随后，将纸连续浸入金纳米颗粒和金增强溶液中，通过毛细管作用穿透通道，在纸的中间形成金电极。然后在纸张的顶部和底部表面上制造类似的电极，以获得多层电极平台。

研究人员通过在金纸电极上沉积二氧化锰(一种活性电极材料)来完成超级电容器的设计，然后将其浸入聚乙烯醇 - 硫酸钠凝胶电解质溶液中。凝胶凝固后，他们使用各种电化学测量技术(例如循环伏安法，恒电流充放电和电化学阻抗谱)表征了二氧化锰 - 金纸电极。

令他们高兴的是，超级电容器设计显示出低电阻、高可折叠性和良好的机械强度。二氧化锰增强了其活性比表面积，进一步提高了电化学性能。此外，超级电容器还表现出高能量存储，最大面能量和功率密度为13.73 μW-hr-cm-2和 1.6 毫米瓦-厘米-2分别。此外，即使在经历了6000次充放电循环后，它仍保持其存储容量。

实际上，多层电极超级电容器平台是一种利用二维纸表面作为三维支架的超密集储能器件。此外，它可以用于并联和串行集成电路配置，而无需修改外部导线和电路。

“我们提出的平台规避了与二维储能片相关的大多数制造挑战。我们相信，我们的研究结果将指导未来制造具有更多多层电极的纸基电子产品，“张教授说。