Fabricación de capacitores flexibles para dispositivos portátiles

Los investigadores han propuesto una nueva forma de fabricar condensadores flexibles para dispositivos portátiles que superen los problemas de las capas apiladas.

Los dispositivos portátiles son un tipo de dispositivos inteligentes diseñados para eliminar la necesidad de dispositivos voluminosos que hacen que los procesos simples sean lentos. Esto solo puede suceder si los dispositivos integrados, como los sensores, son lo suficientemente inteligentes como para realizar la tarea deseada por sí mismos, sin depender de un almacenamiento externo o una unidad de procesamiento. El hardware que lo compone no debe convertirse en una limitación, la rigidez de un material o la propia electrónica no debe ser una limitación.

Un grupo de investigadores de la Universidad de Chung Ang dirigido por el profesor Suk Tai Chang y el profesor asociado Inho Nam fabricaron recientemente una estructura que consta de electrodos de varias capas integrados verticalmente en una sola hoja de papel. El nuevo diseño supera los problemas asociados con las hojas apiladas al tiempo que conserva las ventajas inherentes de un sustrato a base de papel.

Se imprimió una capa hidrofóbica de cera de parafina en ambos lados de un papel de filtro y se calentó. Esto creó un canal amigable con el agua dentro del papel rodeado por una barrera de cera. Luego, el papel se sumergió sucesivamente en nanopartículas de oro y soluciones de mejora de oro, que penetraron en el canal por acción capilar, dando como resultado un electrodo de oro en el centro del papel. Luego se fabricaron electrodos similares en la parte superior e inferior del papel para crear una plataforma de electrodos de varias capas.

Luego, los investigadores depositaron dióxido de manganeso, un material activo del electrodo, en el electrodo de papel dorado, que luego se sumergió en una solución electrolítica de gel de sulfato de sodio y alcohol polivinílico para completar el diseño. Después de que el gel se solidificó, caracterizaron los electrodos de papel de oro y dióxido de manganeso utilizando varias técnicas de medición electroquímica, como voltametría cíclica, carga y descarga galvanostática y espectroscopia de impedancia electroquímica.

El diseño del supercondensador mostró baja resistencia eléctrica, alta capacidad de plegamiento y buena resistencia mecánica. El dióxido de manganeso aumentó su área de superficie activa, mejorando aún más el rendimiento electroquímico. Además, el supercondensador demostró un alto almacenamiento de energía con una energía superficial máxima y densidades de potencia de 13,73 μW-h-cm-2 y 1,6 mW-cm-2, respectivamente. Además, mantuvo su capacidad de almacenamiento incluso después de 6000 ciclos de carga y descarga.

Los investigadores dicen que su método de fabricación evita la mayoría de los desafíos de fabricación asociados con las láminas bidimensionales de almacenamiento de energía. También creen que su estudio guiará la fabricación futura de productos electrónicos basados ​​en papel con más electrodos multicapa.

Referencia: Yeon Woo Kim et al., Integración vertical de múltiples electrodos en una sola hoja de papel y el control del circuito equivalente para supercondensadores flexibles de alta densidad, Revista de ingeniería de procesos (2022). DOI: 10.1016/j.cej.2022.140117