Laser-induceret grafen super til elektronik

Rice University-forskere avancerede deres seneste udvikling af laser-induceret grafen (LIG) ved at producere og teste stablet, tredimensionelle superkapacitorer, energilagringsenheder, der er vigtige for bærbare, fleksibel elektronik.

Rice lab af kemiker James Tour opdagede sidste år, at affyring af en laser mod en billig polymer brændte andre elementer af og efterlod en film af porøst grafen, det meget undersøgte atomtykke gitter af kulstof. Forskerne så de porøse, ledende materiale som en perfekt elektrode til superkapacitorer eller elektroniske kredsløb.

For at bevise det, medlemmer af Tour-gruppen har siden udvidet deres arbejde med at lave vertikalt justerede superkondensatorer med laserinduceret grafen på begge sider af et polymerark. Sektionerne stables derefter med solide elektrolytter imellem til en sandwich i flere lag med flere mikrooverkapacitorer.

De fleksible stakke viser fremragende energilagringskapacitet og effektpotentiale og kan skaleres op til kommercielle applikationer. LIG kan laves i luft ved omgivelsestemperatur, måske i industrielle mængder gennem roll-to-roll-processer, sagde Tour.

Undersøgelsen blev rapporteret i denne uge i Anvendte materialer og grænseflader .

Kondensatorer bruger en elektrostatisk ladning til at lagre energi, de kan frigive hurtigt, til et kameras blitz, for eksempel. I modsætning til kemikaliebaserede genopladelige batterier, kondensatorer oplades hurtigt og frigiver al deres energi på én gang, når de udløses. Men kemiske batterier rummer langt mere energi. Superkondensatorer kombinerer nyttige egenskaber af begge - hurtig opladning/afladning af kondensatorer og højenergikapacitet af batterier - i én pakke.

LIG superkondensatorer ser ud til at være i stand til at gøre alt dette med de ekstra fordele som fleksibilitet og skalerbarhed. Fleksibiliteten sikrer, at de let kan tilpasses til forskellige pakker - de kan rulles inden i en cylinder, for eksempel - uden at give afkald på enhedens ydeevne.

"Det, vi har lavet, kan sammenlignes med mikrosuperkondensatorer, der kommercialiseres nu, men vores evne til at sætte enheder i en 3D-konfiguration giver os mulighed for at pakke mange af dem ind i et meget lille område, " sagde Tour. "Vi stabler dem simpelthen op.

"Den anden nøgle er, at vi gør dette meget enkelt. Intet ved processen kræver et rent rum. Det er lavet på et kommercielt lasersystem, som findes i rutinemæssige maskinforretninger, i det fri."

krusninger, rynker og sub-10-nanometerporer i overfladen og ufuldkommenheder på atomniveau giver LIG sin evne til at lagre meget energi. Men grafenen bevarer sin evne til at flytte elektroner hurtigt og giver den de hurtige opladnings- og frigivelsesegenskaber som en superkondensator. Ved testning, forskerne opladede og afladede enhederne i tusindvis af cyklusser næsten uden tab af kapacitans.

For at vise, hvor godt deres superkapacitorer skaleres op til applikationer, forskerne kablede par af hver række enheder i serie og parallel. Som forventet, de fandt, at de serielle enheder leverede dobbelt arbejdsspænding, mens parallellerne fordoblede afladningstiden ved den samme strømtæthed.

De lodrette superkondensatorer viste næsten ingen ændring i elektrisk ydeevne, når de blev bøjet, selv efter 8, 000 bøjningscyklusser.

Tour sagde, at mens tynd-film lithium-ion-batterier er i stand til at lagre mere energi, LIG-superkondensatorer af samme størrelse giver tre gange så stor ydeevne i kraft (den hastighed, hvormed energien flyder). Og LIG -enhederne kan let skalere op for øget kapacitet.

"Vi har demonstreret, at disse vil være fremragende komponenter i den fleksible elektronik, der snart vil blive indlejret i tøj og forbrugsvarer, " han sagde.