(Phys.org)—Alors que la demande pour des appareils électroniques toujours plus petits a stimulé la miniaturisation d'une variété de technologies, un domaine a pris du retard dans cette révolution de la réduction des effectifs :les unités de stockage d'énergie, comme les batteries et les condensateurs.

Maintenant, Richard Kaner, membre du California NanoSystems Institute de l'UCLA et professeur de chimie et de biochimie, et Maher El-Kady, un étudiant diplômé du laboratoire de Kaner, peut avoir changé la donne.

Les chercheurs de l'UCLA ont mis au point une technique révolutionnaire qui utilise un graveur de DVD pour fabriquer des supercondensateurs à micro-échelle à base de graphène, des dispositifs qui peuvent se charger et se décharger cent à mille fois plus rapidement que les batteries standard. Ces micro-supercondensateurs, constitué d'une couche de carbone graphitique d'une épaisseur d'un atome, peuvent être facilement fabriqués et facilement intégrés dans de petits appareils tels que les stimulateurs cardiaques de nouvelle génération.

La nouvelle méthode de fabrication rentable, décrit dans une étude publiée cette semaine dans la revue Communication Nature , promet la production en série de ces supercondensateurs, qui ont le potentiel de transformer l'électronique et d'autres domaines.

"L'intégration d'unités de stockage d'énergie avec des circuits électroniques est difficile et limite souvent la miniaturisation de l'ensemble du système, " dit Kaner, qui est également professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la Henry Samueli School of Engineering and Applied Science de l'UCLA. « Ceci est dû au fait que les composants de stockage d'énergie nécessaires sont mal dimensionnés et ne sont pas bien adaptés aux géométries planes de la plupart des processus de fabrication intégrés. »

"Les méthodes traditionnelles de fabrication de micro-supercondensateurs impliquent des techniques lithographiques à forte intensité de main-d'œuvre qui se sont avérées difficiles pour la construction de dispositifs rentables, limitant ainsi leur application commerciale, " dit El-Kady. " Au lieu de cela, nous avons utilisé un graveur de DVD LightScribe grand public pour produire des micro-supercondensateurs au graphène sur de grandes surfaces à une fraction du coût des appareils traditionnels. En utilisant cette technique, nous avons pu produire plus de 100 micro-supercapacités sur un seul disque en moins de 30 minutes, en utilisant des matériaux bon marché."

Le processus de miniaturisation repose souvent sur la technologie d'aplatissement, rendant les appareils plus minces et ressemblant davantage à un plan géométrique qui n'a que deux dimensions. En développant leur nouveau micro-supercondensateur, Kaner et El-Kady ont utilisé une feuille de carbone bidimensionnelle, connu sous le nom de graphène, qui n'a que l'épaisseur d'un seul atome dans la troisième dimension.

Kaner et El-Kady discutent de la technologie derrière leurs micro-supercondensateurs (décembre 2012) :

Kaner et El-Kady ont profité d'une nouvelle conception structurelle lors de la fabrication. Pour que tout supercondensateur soit efficace, deux électrodes séparées doivent être positionnées de manière à maximiser la surface disponible entre elles. Cela permet au supercondensateur de stocker une charge plus importante. Une conception précédente empilait les couches de graphène servant d'électrodes, comme les tranches de pain sur un sandwich. Bien que cette conception soit fonctionnelle, cependant, il n'était pas compatible avec les circuits intégrés.

Dans leur nouveau design, les chercheurs ont placé les électrodes côte à côte en utilisant un motif interdigité, semblable à des doigts entrelacés. Cela a permis de maximiser la surface accessible disponible pour chacune des deux électrodes tout en réduisant le chemin sur lequel les ions de l'électrolyte auraient besoin de diffuser. Par conséquent, les nouveaux supercondensateurs ont plus de capacité de charge et de capacité de débit que leurs homologues empilés.

De façon intéressante, les chercheurs ont découvert qu'en plaçant plus d'électrodes par unité de surface, ils ont augmenté la capacité du micro-supercondensateur à stocker encore plus de charge.

Kaner et El-Kady ont pu fabriquer ces supercondensateurs complexes en utilisant une technique abordable et évolutive qu'ils avaient développée plus tôt. Ils ont collé une couche de plastique sur la surface d'un DVD, puis ont recouvert le plastique d'une couche d'oxyde de graphite. Puis, ils ont simplement inséré le disque enduit dans un lecteur optique LightScribe disponible dans le commerce - traditionnellement utilisé pour étiqueter les DVD - et ont profité du propre laser du lecteur pour créer le motif interdigité. Le traçage au laser est si précis qu'aucun des "doigts entrelacés" ne se touche, ce qui court-circuiterait le supercondensateur.

"Pour étiqueter des disques à l'aide de LightScribe, la surface du disque est recouverte d'un colorant réactif qui change de couleur lors de l'exposition à la lumière laser. Au lieu d'imprimer sur ce revêtement spécialisé, notre approche consiste à enduire le disque d'un film d'oxyde de graphite, qui peut alors être directement imprimé dessus, ", a déclaré Kaner. "Nous avons précédemment trouvé un effet photo-thermique inhabituel dans lequel l'oxyde de graphite absorbe la lumière laser et est converti en graphène de la même manière que le processus commercial LightScribe. Avec la précision du laser, le lecteur restitue le motif conçu par ordinateur sur le film d'oxyde de graphite pour produire les circuits de graphène souhaités."

"Le processus est simple, rentable et peut être fait à la maison, " a déclaré El-Kady. " Il suffit d'un graveur de DVD et d'une dispersion d'oxyde de graphite dans l'eau, qui est disponible dans le commerce à un coût modéré."

Les nouveaux micro-supercondensateurs sont également hautement pliables et torsadés, ce qui les rend potentiellement utiles comme dispositifs de stockage d'énergie dans l'électronique flexible comme les écrans enroulables et les téléviseurs, papier électronique, et même de l'électronique portable.

Les chercheurs ont montré l'utilité de leur nouveau micro-supercondensateur au graphène gravé au laser sous une forme entièrement solide, ce qui permettrait à tout nouveau dispositif les incorporant d'être plus facilement mis en forme et flexible. Les micro-supercapacités peuvent également être fabriquées directement sur puce selon la même technique, ce qui les rend très utiles pour l'intégration dans des systèmes micro-électromécaniques (MEMS) ou des semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaires (CMOS).

Ces micro-supercondensateurs présentent une excellente stabilité en cyclage, un avantage important par rapport aux micro-batteries, qui ont une durée de vie plus courte et qui pourraient poser un problème majeur lorsqu'elles sont intégrées dans des structures permanentes - telles que les implants biomédicaux, étiquettes actives d'identification par radiofréquence et micro-capteurs embarqués, pour lesquels aucune maintenance ou remplacement n'est possible.

Comme ils peuvent être directement intégrés sur puce, ces micro-supercondensateurs peuvent aider à mieux extraire l'énergie du solaire, sources mécaniques et thermiques et ainsi rendre les systèmes auto-alimentés plus efficaces. Ils pourraient également être fabriqués à l'arrière des cellules solaires dans les appareils portables et les installations sur les toits pour stocker l'énergie générée pendant la journée et l'utiliser après le coucher du soleil, aider à fournir de l'électricité 24 heures sur 24 lorsque la connexion au réseau n'est pas possible.

« Nous recherchons maintenant des partenaires industriels pour nous aider à produire en série nos micro-supercondensateurs au graphène, ", a déclaré Kaner.