Onderzoekers van DGIST hebben een goedkope manier gevonden om kleine energieopslagapparaten te fabriceren die flexibele en draagbare huidsensoren effectief kunnen voeden, samen met andere elektronische apparaten, de weg vrijmaken voor medische monitoring en diagnoses op afstand en draagbare apparaten. Hun bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Nano-energie .

Materiaalwetenschappers Sungwon Lee en Koteeswara Reddy Nandanapalli van het Daegu Gyeongbuk Institute of Science &Technology (DGIST) ontwikkelden het fabricageproces met collega's in Korea. Een sleutel tot succes is het spuiten van een specifieke hoeveelheid grafeeninkt op flexibele substraten onder een specifieke hoek en temperatuur.

Lee zegt:"De vraag naar diagnose op afstand en draagbare apparaten neemt snel toe en dus veel wetenschappers richten hun onderzoeksinspanningen op de ontwikkeling van verschillende elektronische huidapparaten, die extreem kleine en flexibele energie-apparaten als stroombron vereist."

Wanneer micro-supercondensatoren worden opgeladen, positieve en negatieve elektrische ladingen hopen zich op op hun elektroden en worden opgeslagen als energie. Deze apparaten hebben korte laad- en ontlaadtijden in vergelijking met batterijen, maar ze kunnen niet zoveel energie opslaan.

Grafeen is een veelbelovend materiaal om hun energieopslag te verbeteren, omdat grafeenelektroden zeer poreus zijn en dus een groter oppervlak bieden om de nodige elektrostatische reacties te laten plaatsvinden.

Een andere manier om de prestaties van micro-supercondensatoren te verbeteren, is door elektroden te fabriceren met in elkaar grijpende tanden, als die van twee kammen, het verhogen van de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen. Maar dit proces is duur en werkt niet op flexibele, temperatuurgevoelige ondergronden.

De voor de hand liggende oplossing zou zijn om grafeen op een flexibel substraat te sproeien, maar verticaal spuiten leidt tot elektroden die niet erg poreus zijn en compacte lagen hebben, waardoor ze slechte prestaties leveren.

Lee, Nandanapalli, en hun collega's sproeiden grafeeninkt op dunne, flexibele ondergronden, het fabriceren van een flinterdunne micro-supercondensator met in elkaar grijpende elektroden en uitstekende prestaties.

De truc, zij verkenden, was om tien milliliter grafeeninkt onder een hoek van 45° en een temperatuur van 80°C op een flexibel substraat te spuiten. Dit leidde tot de vorming van poreuze, meerlagige elektroden. De micro-supercondensator van het team is 23 micrometer dun, tien keer dunner dan papier, en behoudt zijn mechanische stabiliteit na 10, 000 bochten. Het kan ongeveer 8,4 microfarad lading per vierkante centimeter opslaan (2 keer hoger dan de waarde die vandaag wordt gerapporteerd) en heeft een vermogensdichtheid van ongeveer 1,13 kilowatt per kilogram (4 keer hoger dan die van de Li-ion-batterijen). Het team toonde aan dat het kan worden gebruikt in draagbare apparaten die zich aan de huid hechten.

"Ons werk laat zien dat het mogelijk is om de dikte van micro-supercondensatoren te verminderen voor gebruik in flexibele apparaten, zonder afbreuk te doen aan hun prestaties, ", zegt Lee. Het team wil vervolgens de opslagcapaciteit en het energieverbruik van de micro-supercondensatoren verbeteren om het mogelijk te maken voor gebruik in echte elektronische skin-apparaten.