Wetenschappers van Rice University hebben hun recente ontwikkeling van laser-geïnduceerd grafeen (LIG) verder ontwikkeld door gestapelde, driedimensionale supercondensatoren, energieopslagapparaten die belangrijk zijn voor draagbare, flexibele elektronica.

Het Rice-lab van scheikundige James Tour ontdekte vorig jaar dat het afvuren van een laser op een goedkoop polymeer andere elementen verbrandde en een film van poreus grafeen achterliet. het veel bestudeerde atoomdikke rooster van koolstof. De onderzoekers bekeken de poreuze, geleidend materiaal als een perfecte elektrode voor supercondensatoren of elektronische circuits.

Om het te bewijzen, leden van de Tour-groep hebben sindsdien hun werk uitgebreid om verticaal uitgelijnde supercondensatoren te maken met lasergeïnduceerd grafeen aan beide zijden van een polymeervel. De secties worden vervolgens gestapeld met vaste elektrolyten ertussen voor een meerlagige sandwich met meerdere microsupercondensatoren.

De flexibele stapels vertonen een uitstekende energieopslagcapaciteit en vermogenspotentieel en kunnen worden opgeschaald voor commerciële toepassingen. LIG kan worden gemaakt in lucht bij omgevingstemperatuur, misschien in industriële hoeveelheden via roll-to-roll-processen, zei toer.

Het onderzoek werd deze week gerapporteerd in Toegepaste materialen en interfaces .

Condensatoren gebruiken een elektrostatische lading om energie op te slaan die ze snel kunnen afgeven, naar de flits van een camera, bijvoorbeeld. In tegenstelling tot oplaadbare batterijen op chemische basis, condensatoren laden snel op en geven al hun energie in één keer af wanneer ze worden geactiveerd. Maar chemische batterijen bevatten veel meer energie. Supercondensatoren combineren de nuttige eigenschappen van beide - het snel laden/ontladen van condensatoren en de hoge energiecapaciteit van batterijen - in één pakket.

LIG-supercondensatoren lijken dat allemaal te kunnen doen met de extra voordelen van flexibiliteit en schaalbaarheid. De flexibiliteit zorgt ervoor dat ze gemakkelijk kunnen worden aangepast aan verschillende pakketten - ze kunnen in een cilinder worden gerold, bijvoorbeeld - zonder de prestaties van het apparaat op te geven.

"Wat we hebben gemaakt is vergelijkbaar met microsupercondensatoren die nu worden gecommercialiseerd, maar ons vermogen om apparaten in een 3D-configuratie te plaatsen, stelt ons in staat om veel van hen in een zeer klein gebied te verpakken, " zei Tour. "We stapelen ze gewoon op.

"De andere sleutel is dat we dit heel eenvoudig doen. Niets aan het proces vereist een cleanroom. Het wordt gedaan op een commercieel lasersysteem, zoals te vinden in routinematige machinewerkplaatsen, in open lucht."

rimpelingen, rimpels en poriën van minder dan 10 nanometer in het oppervlak en onvolkomenheden op atomair niveau geven LIG het vermogen om veel energie op te slaan. Maar het grafeen behoudt zijn vermogen om elektronen snel te verplaatsen en geeft het de snelle laad- en loseigenschappen van een supercondensator. Bij het testen, de onderzoekers laadden en ontlaadden de apparaten gedurende duizenden cycli met bijna geen verlies van capaciteit.

Om te laten zien hoe goed hun supercondensatoren opschalen voor toepassingen, de onderzoekers bekabelde paren van elk type apparaat in serie en parallel. Zoals verwacht, ze ontdekten dat de seriële apparaten het dubbele van de werkspanning leverden, terwijl de parallellen de ontlaadtijd verdubbelden bij dezelfde stroomdichtheid.

De verticale supercondensatoren vertoonden bijna geen verandering in elektrische prestaties wanneer ze werden gebogen, ook na 8, 000 buigcycli.

Tour zei dat hoewel dunne-film lithium-ionbatterijen meer energie kunnen opslaan, LIG-supercondensatoren van dezelfde grootte bieden drie keer de prestatie in vermogen (de snelheid waarmee energie stroomt). En de LIG-apparaten kunnen eenvoudig worden opgeschaald voor meer capaciteit.

"We hebben aangetoond dat dit uitstekende componenten zullen zijn van de flexibele elektronica die binnenkort zal worden ingebed in kleding en consumptiegoederen, " hij zei.