(Phys.org)—Terwijl de vraag naar steeds kleinere elektronische apparaten de miniaturisering van een verscheidenheid aan technologieën heeft gestimuleerd, één gebied is achtergebleven bij deze krimprevolutie:energieopslagunits, zoals batterijen en condensatoren.

Nutsvoorzieningen, Richard Kaner, een lid van het California NanoSystems Institute aan de UCLA en een professor in de chemie en biochemie, en Maher El-Kady, een afgestudeerde student in het laboratorium van Kaner, kan het spel veranderd hebben.

De UCLA-onderzoekers hebben een baanbrekende techniek ontwikkeld waarbij een dvd-brander wordt gebruikt om op microschaal op grafeen gebaseerde supercondensatoren te fabriceren - apparaten die honderd tot duizend keer sneller kunnen opladen en ontladen dan standaardbatterijen. Deze micro-supercondensatoren, gemaakt van een één-atoom-dikke laag grafietkoolstof, kunnen gemakkelijk worden vervaardigd en gemakkelijk worden geïntegreerd in kleine apparaten zoals pacemakers van de volgende generatie.

De nieuwe kosteneffectieve fabricagemethode, beschreven in een studie die deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurcommunicatie , belooft veel voor de massaproductie van deze supercondensatoren, die het potentieel hebben om elektronica en andere velden te transformeren.

"De integratie van energieopslageenheden met elektronische schakelingen is een uitdaging en beperkt vaak de miniaturisering van het hele systeem, " zei Kaner, die ook hoogleraar materiaalkunde en techniek is aan de Henry Samueli School of Engineering and Applied Science van de UCLA. "Dit komt omdat de benodigde componenten voor energieopslag slecht in omvang worden verkleind en niet goed geschikt zijn voor de vlakke geometrieën van de meeste geïntegreerde fabricageprocessen."

"Traditionele methoden voor de fabricage van micro-supercondensatoren omvatten arbeidsintensieve lithografische technieken die moeilijk zijn gebleken voor het bouwen van kosteneffectieve apparaten, waardoor hun commerciële toepassing wordt beperkt, " zei El-Kady. "In plaats daarvan, we gebruikten een LightScribe dvd-brander van consumentenkwaliteit om micro-supercondensatoren van grafeen te produceren over grote gebieden tegen een fractie van de kosten van traditionele apparaten. Met behulp van deze techniek, we hebben in minder dan 30 minuten meer dan 100 micro-supercondensatoren op een enkele schijf kunnen produceren, gebruik van goedkope materialen."

Het proces van miniaturisatie is vaak gebaseerd op afvlakkingstechnologie, waardoor apparaten dunner worden en meer lijken op een geometrisch vlak dat slechts twee dimensies heeft. Bij de ontwikkeling van hun nieuwe micro-supercondensator, Kaner en El-Kady gebruikten een tweedimensionale laag koolstof, bekend als grafeen, die slechts de dikte heeft van een enkel atoom in de derde dimensie.

Kaner en El-Kady bespreken de technologie achter hun micro-supercondensatoren (december 2012):

Kaner en El-Kady profiteerden tijdens de fabricage van een nieuw structureel ontwerp. Om elke supercondensator effectief te laten zijn, twee gescheiden elektroden moeten zo worden geplaatst dat het beschikbare oppervlak ertussen maximaal is. Hierdoor kan de supercondensator een grotere lading opslaan. Een eerder ontwerp stapelde de lagen grafeen op en dienden als elektroden, zoals de sneetjes brood op een broodje. Hoewel dit ontwerp functioneel was, echter, het was niet compatibel met geïntegreerde schakelingen.

In hun nieuwe ontwerp, de onderzoekers plaatsten de elektroden naast elkaar met behulp van een interdigitated patroon, vergelijkbaar met verweven vingers. Dit hielp om het toegankelijke oppervlak dat beschikbaar is voor elk van de twee elektroden te maximaliseren en tegelijkertijd het pad te verminderen waarover ionen in de elektrolyt zouden moeten diffunderen. Als resultaat, de nieuwe supercondensatoren hebben meer laadcapaciteit en snelheidscapaciteit dan hun gestapelde tegenhangers.

interessant, de onderzoekers ontdekten dat door meer elektroden per oppervlakte-eenheid te plaatsen, ze versterkten het vermogen van de micro-supercondensator om nog meer lading op te slaan.

Kaner en El-Kady waren in staat om deze ingewikkelde supercondensatoren te fabriceren met behulp van een betaalbare en schaalbare techniek die ze eerder hadden ontwikkeld. Ze plakten een laag plastic op het oppervlak van een dvd en bedekten het plastic vervolgens met een laag grafietoxide. Vervolgens, ze stopten gewoon de gecoate schijf in een in de handel verkrijgbare LightScribe optische drive - traditioneel gebruikt om dvd's te labelen - en maakten gebruik van de eigen laser van de drive om het interdigitale patroon te creëren. Het laserschrijven is zo nauwkeurig dat geen van de "verweven vingers" elkaar raken, die de supercondensator zou kortsluiten.

"Als u schijven wilt labelen met LightScribe, het oppervlak van de schijf is bedekt met een reactieve kleurstof die van kleur verandert bij blootstelling aan het laserlicht. In plaats van op deze gespecialiseerde coating te printen, onze benadering is om de schijf te coaten met een film van grafietoxide, die dan direct bedrukt kunnen worden, " Zei Kaner. "We hebben eerder een ongebruikelijk fotothermisch effect gevonden waarbij grafietoxide het laserlicht absorbeert en wordt omgezet in grafeen op een vergelijkbare manier als het commerciële LightScribe-proces. Met de precisie van de laser, de schijf maakt het door de computer ontworpen patroon op de grafietoxidefilm om de gewenste grafeencircuits te produceren."

"Het proces is eenvoudig, kostenbesparend en kan thuis worden gedaan, "Zei El-Kady. "Je hebt alleen een dvd-brander en grafietoxide-dispersie in water nodig, die in de handel verkrijgbaar is tegen een bescheiden prijs."

De nieuwe micro-supercondensatoren zijn ook zeer buigbaar en draaibaar, waardoor ze potentieel bruikbaar zijn als energieopslagapparaten in flexibele elektronica zoals roll-up displays en tv's, e-papier, en zelfs draagbare elektronica.

De onderzoekers toonden het nut aan van hun nieuwe lasergeschreven grafeen micro-supercondensator in een volledig solide vorm, waardoor elk nieuw apparaat waarin ze zijn verwerkt, gemakkelijker kan worden gevormd en flexibeler kan worden gemaakt. De micro-supercondensatoren kunnen met dezelfde techniek ook direct op een chip worden gefabriceerd, waardoor ze zeer nuttig zijn voor integratie in micro-elektromechanische systemen (MEMS) of complementaire metaaloxide-halfgeleiders (CMOS).

Deze micro-supercondensatoren vertonen een uitstekende fietsstabiliteit, een belangrijk voordeel ten opzichte van microbatterijen, die een kortere levensduur hebben en die een groot probleem kunnen vormen wanneer ze worden ingebed in permanente structuren, zoals biomedische implantaten, actieve radiofrequentie-identificatietags en ingebouwde microsensoren - waarvoor geen onderhoud of vervanging mogelijk is.

Omdat ze direct op de chip kunnen worden geïntegreerd, deze micro-supercondensatoren kunnen helpen om energie beter uit zonne-energie te halen, mechanische en thermische bronnen en maken zo efficiëntere zelfaangedreven systemen. Ze kunnen ook worden gefabriceerd op de achterkant van zonnecellen in zowel draagbare apparaten als dakinstallaties om overdag opgewekte stroom op te slaan voor gebruik na zonsondergang, helpen om de klok rond elektriciteit te leveren wanneer aansluiting op het net niet mogelijk is.

"We zijn nu op zoek naar industriële partners om ons te helpen bij de massaproductie van onze grafeen-micro-supercondensatoren, ' zei Kaner.