Forskere udvikler ny teknik til at opskalere produktionen af ​​grafen mikro-superkondensatorer

(Phys.org) – Mens efterspørgslen efter stadigt mindre elektroniske enheder har ansporet til miniaturisering af en række teknologier, ét område er sakket bagud i denne nedskæringsrevolution:energilagringsenheder, såsom batterier og kondensatorer.

Nu, Richard Kaner, medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA og professor i kemi og biokemi, og Maher El-Kady, en kandidatstuderende i Kaners laboratorium, kan have ændret spillet.

UCLA-forskerne har udviklet en banebrydende teknik, der bruger en DVD-brænder til at fremstille grafenbaserede superkondensatorer i mikroskala - enheder, der kan oplade og aflade hundrede til tusind gange hurtigere end standardbatterier. Disse mikro-superkondensatorer, lavet af et et-atom-tykt lag af grafitisk kulstof, kan nemt fremstilles og nemt integreres i små enheder såsom næste generations pacemakere.

Den nye omkostningseffektive fremstillingsmetode, beskrevet i en undersøgelse offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Naturkommunikation , lover masseproduktion af disse superkondensatorer, som har potentiale til at transformere elektronik og andre områder.

"Integrationen af ​​energilagringsenheder med elektroniske kredsløb er udfordrende og begrænser ofte miniaturiseringen af ​​hele systemet, " sagde Kaner, som også er professor i materialevidenskab og teknik ved UCLA's Henry Samueli School of Engineering and Applied Science. "Dette skyldes, at de nødvendige energilagringskomponenter nedskaleres dårligt i størrelse og ikke er velegnede til de plane geometrier i de fleste integrerede fremstillingsprocesser."

"Traditionelle metoder til fremstilling af mikro-superkondensatorer involverer arbejdskrævende litografiske teknikker, der har vist sig vanskelige at bygge omkostningseffektive enheder, dermed begrænse deres kommercielle anvendelse, " sagde El-Kady. "I stedet, vi brugte en LightScribe DVD-brænder af forbrugerkvalitet til at producere grafen-mikro-superkondensatorer over store områder til en brøkdel af prisen på traditionelle enheder. Ved at bruge denne teknik, vi har været i stand til at producere mere end 100 mikro-superkondensatorer på en enkelt disk på mindre end 30 minutter, ved at bruge billige materialer."

Miniaturiseringsprocessen er ofte afhængig af fladningsteknologi, gør enheder tyndere og mere som et geometrisk plan, der kun har to dimensioner. Ved at udvikle deres nye mikro-superkondensator, Kaner og El-Kady brugte et todimensionelt ark kulstof, kendt som grafen, som kun har tykkelsen af ​​et enkelt atom i den tredje dimension.

Kaner og El-Kady diskuterer teknologien bag deres mikro-superkondensatorer (december 2012):

Kaner og El-Kady udnyttede et nyt strukturelt design under fremstillingen. For at enhver superkondensator skal være effektiv, to adskilte elektroder skal placeres, så det tilgængelige overfladeareal mellem dem maksimeres. Dette gør det muligt for superkondensatoren at lagre en større ladning. Et tidligere design stablede lagene af grafen, der fungerede som elektroder, som brødskiverne på en sandwich. Mens dette design var funktionelt, imidlertid, det var ikke kompatibelt med integrerede kredsløb.

I deres nye design, forskerne placerede elektroderne side om side ved hjælp af et interdigiteret mønster, beslægtet med sammenvævede fingre. Dette hjalp med at maksimere det tilgængelige overfladeareal, der er tilgængeligt for hver af de to elektroder, samtidig med at det reducerede den vej, over hvilken ioner i elektrolytten skulle diffundere. Som resultat, de nye superkondensatorer har mere ladekapacitet og hastighedskapacitet end deres stablede modstykker.

Interessant nok, forskerne fandt ud af, at ved at placere flere elektroder pr. arealenhed, de øgede mikro-superkondensatorens evne til at lagre endnu mere ladning.

Kaner og El-Kady var i stand til at fremstille disse indviklede superkondensatorer ved hjælp af en overkommelig og skalerbar teknik, som de havde udviklet tidligere. De limede et lag plastik på overfladen af ​​en DVD og coated derefter plasten med et lag grafitoxid. Derefter, de indsatte simpelthen den coatede disk i et kommercielt tilgængeligt LightScribe optisk drev – traditionelt brugt til at mærke DVD'er – og udnyttede drevets egen laser til at skabe det interdigiterede mønster. Laserskrivningen er så præcis, at ingen af ​​de "sammenvævede fingre" rører hinanden, hvilket ville kortslutte superkondensatoren.

"For at mærke diske ved hjælp af LightScribe, overfladen af ​​disken er belagt med et reaktivt farvestof, der skifter farve ved eksponering for laserlyset. I stedet for at udskrive på denne specialiserede belægning, vores tilgang er at belægge skiven med en film af grafitoxid, som så kan printes direkte på, " sagde Kaner. "Vi har tidligere fundet en usædvanlig fototermisk effekt, hvor grafitoxid absorberer laserlyset og omdannes til grafen på samme måde som den kommercielle LightScribe-proces. Med laserens præcision, drevet gengiver det computerdesignede mønster på grafitoxidfilmen for at producere de ønskede grafenkredsløb."

"Processen er ligetil, omkostningseffektiv og kan gøres hjemme, " sagde El-Kady. "Man behøver kun en DVD-brænder og grafitoxiddispersion i vand, som er kommercielt tilgængelig til en moderat pris."

De nye mikro-superkondensatorer er også meget bøjelige og drejelige, hvilket gør dem potentielt nyttige som energilagringsenheder i fleksibel elektronik som roll-up skærme og tv'er, e-papir, og endda bærbar elektronik.

Forskerne viste nytten af ​​deres nye laserskrevne grafen mikro-superkondensator i en helt fast form, hvilket ville gøre det muligt for enhver ny enhed, der inkorporerer dem, lettere at forme og fleksible. Mikro-superkondensatorerne kan også fremstilles direkte på en chip ved hjælp af samme teknik, hvilket gør dem yderst anvendelige til integration i mikroelektromekaniske systemer (MEMS) eller komplementære metal-oxid-halvledere (CMOS).

Disse mikro-superkondensatorer viser fremragende cykelstabilitet, en vigtig fordel i forhold til mikrobatterier, som har kortere levetid, og som kan udgøre et stort problem, når de er indlejret i permanente strukturer - såsom biomedicinske implantater, aktive radiofrekvensidentifikationsmærker og indlejrede mikrosensorer - for hvilke ingen vedligeholdelse eller udskiftning er mulig.

Da de kan integreres direkte på chip, disse mikro-superkondensatorer kan hjælpe til bedre at udvinde energi fra solenergi, mekaniske og termiske kilder og dermed lave mere effektive selvdrevne systemer. De kunne også fremstilles på bagsiden af ​​solceller i både bærbare enheder og installationer på tagterrassen til at lagre strøm genereret i løbet af dagen til brug efter solnedgang, med til at levere strøm døgnet rundt, når tilslutning til nettet ikke er mulig.

"Vi leder nu efter industripartnere til at hjælpe os med at masseproducere vores grafen mikro-superkondensatorer, " sagde Kaner.