基于纤维素纳米原纤维(CNF)和导电聚合物的纸动力超级电容器

基于纤维素纳米原纤维（CNF）和导电聚合物的纸动力超级电容器

随着整个社会电气化和数字化的要求不断提高，因此人们需要一种绿色的电能存储技术，该技术可以在非常小且分布很广的电能来源之间进行规模缩放，并实现非常大的体积。此类技术必须与高吞吐量，大批量且低成本的制造工艺兼容，例如使用印刷和涂层技术。

可穿戴电子产品，智能包装，和许多其他物联网系统正在不断涌现，通过将印刷的柔性传感器，电池和纳米发电机与基于硅的电子组件集成在一起，以形成完整的可操作设备，例如具有无线读取功能的传感器标签以及组合的能量收集/存储组件，从而排除笨重电源的可能性使得能够在各种医疗平台用途应用如柔性且薄的贴剂。因此，对柔性，轻便的储能解决方案的未来需求因此需要合适的设备配置，最好使用活性材料制造，这些活性材料源自绿色资源，并且与易回收利用和绿色生命周期管理兼容。

基于纤维素的能量存储设备和它的衍生物已被证明并集成到柔性电子。在这类能源设备中，对超级电容器的兴趣在增加，部分原因是需要从由环保和轻质材料构成的设备中产生短期功率峰值，并且该成本可以由低成本和轻巧的材料制成可伸缩的制造过程。

在这里，我们演示了制造超级电容器的制备过程，该超级电容器包括基于纤维素纳米原纤维（CNF）和导电聚合物PEDOT：PSS的电极。薄而轻的纸电极，碳粘附层和凝胶电解质分别使用喷涂，丝网印刷和棒涂来制造。超级电容器组合在一起并连接到电源管理电路，以演示智能封装应用。这项工作表明，可以以允许与例如智能包装解决方案集成的方式来制造可操作的和嵌入式超级电容器，从而在高度分布式的应用程序中启用有源的物联网（IoT）设备。

近年来，我们展示了一种"动力纸"概念，该概念结合了纤维素纳米原纤维（CNF）和混合的离子电子导体聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS），为高效且高性能的超级电容器电极。这种材料组合可以用作实现印刷技术的功能性油墨中的活性成分，并已被证明是纸基柔性超级电容器的电极。结果表明，这些厚度> 15? μm动力纸电极可以在独立式电极中提供高能量密度以及高功率密度，。

当印刷超级电容器时，活性材料应以墨水形式提供，以便可以使用完善的工具（例如丝网印刷和喷墨印刷，刮条涂布和喷涂来实现电极层，隔离层和电解质层。然而，在迄今为止开发和研究的超级电容器的当前印刷制造方案中，已经利用丝网印刷或模版印刷，这是不能满足大面积上薄的，适形电极的要求的技术。

图1表示喷涂型印刷纸超级电容器的制造方案，印刷步骤和组件。

喷涂是用于纳米材料和具有受控厚度的聚合物的干燥膜的快速制造高效且在工业上成熟的技术，并且是可以很容易地在功能性光电子学和电子应用中实现的技术。喷雾涂层允许的薄的形成（即使超薄），面积大，电活性材料的均匀的层，并且已被用于沉积例如石墨烯，石墨烯氧化物和碳纳米管用作超级电容器和电池电极材料。因此，喷涂在这里选择的薄（1-10微米），用于超级电容器实现电极与高度的灵活性可以集成为应用的IoT低功耗应用特别是智能包装。

在这项工作中，我们调查了使用喷涂工艺制造CNF-PEDOT：PSS电极（以下称为纸电极）的过程，并将该喷涂步骤并入了完整的生产方案中，以生产出完全印刷的超级电容器。通过精确设计印刷工艺，这些超级电容器的等效串联电阻可以低至0.22Ω。由于这些改进，?可以在高电流水平下实现约 10 4 W / kg的高功率密度，并达到约0.1 F的电容。我们制造的纸电极厚度范围为1–10? μm。

在喷涂过程中使用热的基材，使水的主要部分在几秒钟内蒸发，并迫使PEDOT：PSS-CNF迅速粘附到碳层上。初步实验表明，90°C的温度足以限制喷涂纤维素纤维的团聚，然后帮助我们形成均匀的电极膜。另外，快速去除溶剂不仅改善了电极膜的性能，而且还缩短了喷涂暂停间隔，从而缩短了制造时间。

应用

可以将多个超级电容器包装在一起并组合在一个小容器中；超级电容器也可以轻松串联，以增加或设置特定的工作电压。这里报道了单个超级电容器和两个串联的超级电容器的GCD和CV。此处加倍的电压足以为输出为3.0 V的dc-dc转换器供电，这又足以满足大多数物联网和低功率电子应用的需求。

印刷纸超级电容器的应用：串联连接的两个超级电容器。LED连接到升压转换器电路，该电路由两个在弯曲包装材料上串联的超级电容器供电。