Baterai Superkapasitor Berbasis Kertas

Foto: Pixabay

Dengan menggunakan teknik lapisan sederhana, peneliti dari A.S dan Korea telah mengembangkan supercapacitor fleksibel berbasis kertas yang dapat digunakan untuk membantu perangkat yang dipakai. Perangkat ini menggunakan nanopartikel metalik untuk melapisi serat selulosa di kertas, menciptakan elektroda supercapacitor dengan kerapatan energi dan daya tinggi dan kinerja terbaik sejauh ini dalam supercapacitor berbasis tekstil.

Dengan menanamkan bahan pengisi konduktif dan muatan di atas kertas, teknik ini menciptakan area permukaan besar yang berfungsi sebagai kolektor arus dan reservoir nanopartikel untuk elektroda. Pengujian menunjukkan bahwa perangkat yang dibuat dengan teknik dapat dilipat ribuan kali tanpa mempengaruhi konduktivitas.

“Perangkat penyimpanan energi fleksibel semacam ini bisa memberi kesempatan unik untuk konektivitas antara perangkat dan internet,” kata Seung Woo Lee, asisten profesor di Woodruff School of Mechanical Engineering di Georgia Institute of Technology. “Kami dapat mendukung evolusi elektronik portabel yang paling canggih. Kami juga memiliki kesempatan untuk menggabungkan supercapacitor ini dengan perangkat pemanen energi yang dapat memberi kekuatan sensor biomedis, elektronik konsumen dan militer, dan aplikasi serupa.”

Penelitian yang dilakukan dengan kolaborator di Universitas Korea, didukung oleh National Research Foundation Korea dan diterbitkan pada 14 September di jurnal Nature Communications.

Perangkat penyimpanan energi umumnya dinilai berdasarkan tiga sifat: kerapatan energi, kepadatan tenaga dan stabilitas bersepeda. Supercapacitors sering memiliki kerapatan daya tinggi, namun kerapatan energi rendah  jumlah energi yang dapat disimpan dibandingkan baterai, yang sering memiliki sifat yang berlawanan. Dalam mengembangkan teknik baru mereka, Lee dan kolaborator Jinhan Cho dari Departemen Teknik Kimia dan Biologi di Universitas Korea bertekad untuk meningkatkan kepadatan energi supercapacitors sambil mempertahankan output daya tinggi mereka.

Para peneliti memulai dengan mencelupkan sampel kertas ke dalam beaker larutan yang mengandung bahan surfaktan amina yang dirancang untuk mengikat nanopartikel emas ke kertas. Selanjutnya mereka mencelupkan kertas itu ke dalam larutan yang mengandung nanopartikel emas. Karena seratnya berpori, surfaktan dan nanopartikel masuk ke serat dan menjadi sangat melekat, menciptakan lapisan konformal pada masing-masing serat.

Dengan mengulangi langkah-langkah mencelupkan, para peneliti membuat sebuah lembaran konduktif dimana mereka menambahkan lapisan bolak-balik bahan penyimpan energi oksida logam seperti oksida mangan. Pendekatan lapisan demi lapisan membantu meminimalkan resistensi kontak antara logam nano tetangga dan / atau oksida logam oksida. Dengan menggunakan proses sederhana yang dilakukan pada suhu kamar, lapisan dapat dibangun untuk memberikan sifat listrik yang diinginkan.

“Ini pada dasarnya adalah proses yang sangat sederhana,” kata Lee. “Proses lapisan demi lapisan, yang kita lakukan di bolak-balik gelas, menyediakan pelapis konformal yang baik pada serat selulosa. Kita dapat melipat kertas metallized yang dihasilkan dan sebaliknya melenturkannya tanpa merusak konduktivitas.”

Meskipun penelitian ini melibatkan sampel kertas kecil, teknik berbasis larutan kemungkinan dapat ditingkatkan dengan menggunakan tangki yang lebih besar atau bahkan teknik penyemprotan. “Seharusnya tidak ada batasan ukuran sampel yang bisa kita hasilkan,” kata Lee. “Kami hanya perlu menetapkan ketebalan lapisan optimal yang memberikan konduktivitas yang baik sambil meminimalkan penggunaan nanopartikel untuk mengoptimalkan tradeoff antara biaya dan kinerja.”

Para periset menunjukkan bahwa teknik perakitan ini memperbaiki beberapa aspek supercapacitor kertas, termasuk kinerjanya, merupakan faktor penting untuk mengukur elektroda penyimpanan energi yang fleksibel. Daya maksimum dan kerapatan energi dari supercapacitor berbasis kertas logam diperkirakan masing-masing 15.1mWcm2 dan 267,3 Wh cm2, secara substansial mengungguli supercapacitor kertas konvensional.

Langkah selanjutnya akan mencakup pengujian teknik pada kain fleksibel, dan pengembangan baterai fleksibel yang bisa bekerja dengan supercapacitors. Para peneliti menggunakan nanopartikel emas karena mereka mudah untuk bekerja dengan, namun berencana untuk menguji logam yang lebih murah seperti perak dan tembaga untuk mengurangi biaya.

Selama gelar Ph.D. bekerja, Lee mengembangkan proses self-assembly lapisan-demi-lapisan untuk penyimpanan energi dengan menggunakan bahan yang berbeda. Dengan kolaborator Korea-nya, dia melihat sebuah kesempatan baru untuk menerapkannya pada perangkat fleksibel dan dapat dipakai dengan nanopartikel.

“Kami memiliki kontrol nano atas lapisan yang diterapkan pada kertas,” tambahnya. “Jika kita meningkatkan jumlah lapisan, kinerja terus meningkat, dan itu semua berdasarkan kertas biasa.”

 

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here