引入了一种通用且可扩展的方法来制造平面和对称的微型超级电容器,该电容器可以安装在任何复杂的表面上。通过石墨烯墨水的角喷涂在高度柔性和超薄基板上开发的微型超级电容器具有出色的性能,可贴在皮肤上和可包裹的特性的演示强调了它们作为各种表皮和可穿戴设备的可嵌入电源的适应性。
大邱庆北科技大学(DGIST)的研究人员及其在韩国的同事们发现了一种廉价的方法来制造微型能量存储设备,该设备可以有效地为柔性皮肤传感器和其他可穿戴电子设备提供动力。成功的关键是在特定的角度和温度下将精确量的石墨烯墨水喷涂到所需的基材上。
他们的发现发表在《Nano Energy》杂志上("极具挠性和机械耐用性的平面超级电容器:电子皮肤电子设备的高能量密度和低成本电源"),为远程医疗监测和诊断铺平了道路。
DGIST的材料科学家Sungwon Lee说:"许多科学家将他们的研究重点放在开发用于远程诊断的可穿戴电子皮肤设备上,该设备需要极小且灵活的能源。"
Lee与DGIST材料科学家Koteeswara Reddy Nandanapalli以及东国大学和韩国地质科学与矿产研究所的合作者合作,改善了称为微型超级电容器的电源。
当微型超级电容器充电时,正负电荷会积聚在其电极上并作为能量存储。与电池相比,它们的充电和放电时间短,但不能存储太多能量。
石墨烯电极显示出改善能量存储的希望,因为它们是高度多孔的,因此为发生静电反应提供了较大的表面积。微型超级电容器也可以通过制造带有互锁齿的电极(如两把梳子的齿)来改进,以增加可存储的能量。但是此过程很昂贵,并且不适用于对温度敏感的柔性基板。
Lee,Nandanapalli及其合作者通过制造一种具有联锁石墨烯电极的薄型微型超级电容器,并成功地将这两种方法结合在一起,并具有出色的性能。诀窍是在45°角和80°C的温度下将十毫升的石墨烯墨水喷涂到薄而柔软的基材上。这导致形成多孔的多层电极。它解决了以前的研究人员所面临的问题,他们发现将石墨烯垂直喷涂到柔性基板上会导致电极的多孔性不强且具有致密的层,从而导致其性能较差。
该团队的微型超级电容器薄了23微米,比纸薄了十倍,并且在弯曲10,000次后仍保持其机械稳定性。它每平方厘米可以存储大约8.4微法拉的电荷,是迄今报道的其他类似设备的两倍,功率密度约为1.13千瓦/千克,是锂离子电池的四倍。
"我们的工作表明,可以在不降低性能的情况下减小微型超级电容器的厚度," Lee说。
该团队的下一个目标是提高其存储容量和能耗,以使其可在现实世界中的电子皮肤设备中使用。