Supercondensator op papierbasis voor ‘wearable’ elektronica

Het proces van de onderzoekers verandert het isolerende papier in zeer poreus metallisch papier met grote oppervlaktegebieden die functioneren als stroomcollectors en nanodeeltjes-reservoirs voor de elektroden. Bij proeven bleek dat het papier dat op deze manier is behandeld duizend maal kan worden gevouwen zonder dat de geleiding wordt aangetast.

"Dergelijke flexibele componenten voor energieopslag kunnen unieke mogelijkheden bieden voor de koppeling van wearables met het internet of things", verwacht professor Seung Woo Lee van de Woodruff School of Mechanical Engineering van het Georgia Institute of Technology. "We kunnen er een evolutie mee op gang helpen van de meest geavanceerde draagbare elektronica. Het is ook mogelijk om deze condensator te combineren met energiesprokkelende componenten die biomedische sensoren kunnen voeden, of consumentenelektronica, militaire elektronica en soortgelijke toepassingen."

Flexibele componenten voor energie-opslag zijn een sleutel voor het succes van wearables of papieren elektronica in biomedische producten, consumentenelektronica en militaire toepassingen. Lithium-ion batterijen en supercondensatoren zijn twee commerciële kandidaten voor het voeden  van elektronische consumentenproducten. Supercondensatoren spelen een toenemende rol in wearable producten, wat is te danken aan hun hoge vermogensdichtheid van meer dan 10 kW/kg, hun snelle op- en ontladen en hun langere levensduur dan lithium-ion batterijen. De energiedichtheid van supercondensatoren is echter met ongeveer 5 Wh/kg significant lager dan de circa 150 kWh/kg van lithium-ion batterijen. Deze parameter moet worden verbeterd om supercondensatoren te laten voldoen aan de prestatie-eisen van de volgende generatie flexibele devices. Maar voor volledig flexibele devices moeten ook de energie-opslagcomponenten flexibel zijn, terwijl ze tevens onderhevig zijn aan meer conventionele prestatie-overwegingen als hoge energie, hoog vermogen en cyclusstabiliteit.

Supercondensatorelektroden op basis van metallische papier (MP).

Schema van de preparatie van de MP-elektroden voor de supercondensator met ligand laag-voor-laag assemblage tussen hydrofoob metaal (of metaaloxide) nanodeeltjes (NP’s) en tren-moleculen. In dit geval blijft de interne poreuze structuur van het papier perfect bewaard, zelfs na depositie van de NP’s, zoals getoond in FE-SEM-beelden. Alle schaalaanduidingen in de FE-SEM-beelden geven 50 µm aan.

Dit schema toont het verschil tussen de conventionele ‘solution casting’ van de NP’s (links), de traditionele LbL assemblage (gebaseerd op elektrostatische reacties, waterstofbonding of covalente bonding (midden) en de hier beschreven benadering (molecuul ligand-meidated LbL-assemblage via ligand-molecuul).

Een ligand is een molecuul of een ion dat een vrij elektronenpaar heeft, dat gebruikt kan worden om een binding te vormen met een metaal of een metaalion. Ligand is afgeleid van het Latijnse ‘ligare’, dat binden betekent.

Bij het ontwikkelen van de technologie hebben Lee en zijn medewerker Jinhan Cho van de afdeling Chemical and Biological Engineering van de Korea University zich speciaal gericht op het verhogen van de energiedichtheid van de supercondensatoren, met behoud van hun hoge vermogensoutput.

Een van de belangrijkste onderdelen van flexibele energie-opslagcomponenten is een flexibel en geleidend substraat. Papier en textiel worden daarvoor beschouwd als ideale materialen, vanwege hun lage prijs, flexibiliteit en bijzonder poreuze structuur, waardoor ze actieve elektrodematerialen kunnen absorberen. Maar omdat deze materialen van nature isolatoren zijn, moeten ze worden gecoat met elektrische geleidende materialen. Daarvoor kunnen dan bijvoorbeeld koolstof nanobuisjes of zilveren nanodraden worden gebruikt.

Ook zijn er diverse absorptiemethoden gebruikt om zo’n coating aan te brengen – alle met het nadeel dat men weinig controle heeft over het proces en de resulterende laagdikte. Het laag-voor-laag assemblageproces (LbL) is een eenvoudige productietechniek waarmee het aanbrengen van actieve materialen juist wél nauwkeurig kan worden beheerst. 

Het onderzoeksteam begon met het dopen van papiermonsters in een beker met een oplossing van een oppervlakte-actief aminemateriaal (zogeheten tren-moleculen) om de gouden nanodeeltjes aan het papier te binden. Vervolgens doopten ze het papier in een oplossing met die nanodeeltjes. De cellulosevezels in het papier zijn heel poreus, dus het oppervlakte-actieve materiaal en de nanodeeltjes dringen binnen in de vezels en raken er stevig aan gehecht. Zo vormen ze een conformal coating op elke vezel.

Door het herhalen van deze dompelingsstappen maakten de onderzoekers geleidend papier waaraan ze nog afwisselend lagen van energieopslagmaterialen toevoegden van metaaloxiden, zoals mangaanoxide. Deze laag-voor-laag benadering hielp om de contactweerstand tussen naast elkaar gelegen metaal en/of metaaloxide nanodeeltjes te minimaliseren. Het proces vindt plaats onder kamertemperatuur en de lagen kunnen worden gestapeld om de gewenste elektrische eigenschappen te verkrijgen.  

De beelden tonen het verschil van het papier voor (links) en na (rechts) metallisering met geleidende nanodeeltjes. (foto: Ko et al., gepubliceerd in Nature Communications)

"Het is eigenlijk een heel simpel proces", zegt Lee. "Het laag-voor-laag proces in verschillende bekers leverde een goede conforal coating op de cellulosevezels. We kunnen het zo verkregen gemetalliseerde papier vouwen en buigen zonder de geleidbaarheid te beschadigen.".

Bij het onderzoek ging het om kleine stukken papier, maar de techniek met de oplossingen kan worden opgeschaald door gebruik te maken van grotere tanks of een spraytechniek. "Er is in principe geen limiet aan de afmetingen van het papier dat we kunnen produceren", zegt Lee. "We moeten alleen de optimale laagdikte vaststellen voor het verkrijgen van een goede geleiding terwijl toch het gebruik van nanodeeltjes wordt geminimaliseerd, om de balans tussen kosten en prestaties te optimaliseren."

Het team demonstreerde dat hun zelfassemblerende techniek verschillende aspecten van de papieren supercondensator verbetert, waaronder de capaciteit per oppervlakte-eenheid – een belangrijke factor voor het meten van flexibele energie-opslagelektroden. De maximum vermogens- en energiedichtheid van de supercondensatoren op basis van metallisch papier worden geschat op respectievelijk 15,1 mW/cm2 en 267,3 μWh/cm2, en dat is beter dan conventionele papier- of textiel-supercondensatoren.

.

De volgende stap omvat het testen van de techniek op flexibele weefsels en het ontwikkelen van flexibele batterijen die met deze supercondensatoren kunnen werken. De onderzoekers gebruikten gouden nanodeeltjes omdat er gemakkelijk mee valt te werken, maar ze zijn van plan om goedkopere metalen, zoals koper en zilver, te gaan gebruiken om de kosten te beperken.

"We beheersen de coating van het papier tot op nanosschaal", verklaart Lee. "Als we het aantal lagen verhogen worden de prestaties alleen maar beter. En het is allemaal gebaseerd op gewoon papier."

Lees het wetenschappellijke artikel dat is gepubliceerd in Nature Communications op https://www.nature.com/articles/s41467-017-00550-3

Supercondensator

Supercondensatoren zijn condensatoren met veel hogere capaciteitswaarden (maar lagere spanningslimieten) dan andere condensatoren. Ze overbruggen de kloof tussen elektrolytische condensatoren en oplaadbare batterijen. Ze kunnen normaliter tien tot honderd keer meer energie  per volume- of massa-eenheid opslaan dan elektrolytische condensatoren, kunnen lading veel sneller opnemen en afgeven dan batterijen en tolereren veel meer laad- en ontlaadcyclussen dan oplaadbare batterijen.