Une image au microscope électronique montre la section transversale du graphène induit par laser brûlé dans les deux côtés d'un substrat de polyimide. Le matériau flexible créé à l'Université Rice a le potentiel d'être utilisé dans l'électronique ou pour le stockage d'énergie. Crédit :Tour Group/Rice University
Les scientifiques de l'Université Rice ont avancé leur récent développement de graphène induit par laser (LIG) en produisant et en testant des empilements, supercondensateurs tridimensionnels, dispositifs de stockage d'énergie qui sont importants pour le portable, électronique flexible.
Le laboratoire Rice du chimiste James Tour a découvert l'année dernière que le tir d'un laser sur un polymère bon marché brûlait d'autres éléments et laissait un film de graphène poreux, le réseau de carbone à épaisseur atomique très étudié. Les chercheurs ont vu le poreux, matériau conducteur comme électrode parfaite pour les supercondensateurs ou les circuits électroniques.
Pour le prouver, les membres du groupe Tour ont depuis étendu leurs travaux pour fabriquer des supercondensateurs alignés verticalement avec du graphène induit par laser des deux côtés d'une feuille de polymère. Les sections sont ensuite empilées avec des électrolytes solides entre les deux pour un sandwich multicouche avec plusieurs microsupercondensateurs.
Les piles flexibles présentent une excellente capacité de stockage d'énergie et un excellent potentiel de puissance et peuvent être étendues pour des applications commerciales. Le LIG peut être réalisé dans l'air à température ambiante, peut-être en quantités industrielles grâce à des procédés roll-to-roll, Tour dit.
La recherche a été rapportée cette semaine dans Matériaux appliqués et interfaces .
Les condensateurs utilisent une charge électrostatique pour stocker l'énergie qu'ils peuvent libérer rapidement, au flash d'un appareil photo, par exemple. Contrairement aux batteries rechargeables à base de produits chimiques, les condensateurs se chargent rapidement et libèrent toute leur énergie à la fois lorsqu'ils sont déclenchés. Mais les batteries chimiques contiennent beaucoup plus d'énergie. Les supercondensateurs combinent les qualités utiles des deux - la charge/décharge rapide des condensateurs et la capacité énergétique élevée des batteries - en un seul boîtier.
Les supercondensateurs LIG semblent capables de faire tout cela avec les avantages supplémentaires de la flexibilité et de l'évolutivité. La flexibilité garantit qu'ils peuvent facilement se conformer à des emballages variés - ils peuvent être enroulés dans un cylindre, par exemple - sans renoncer aux performances de l'appareil.
Un schéma montre le processus développé par les scientifiques de l'Université Rice pour fabriquer des microsupercondensateurs verticaux avec du graphène induit par laser. Les dispositifs flexibles présentent un potentiel d'utilisation dans l'électronique portable et de nouvelle génération. Crédit :Tour Group/Rice University
"Ce que nous avons fabriqué est comparable aux microsupercondensateurs commercialisés actuellement, mais notre capacité à mettre des appareils dans une configuration 3D nous permet d'en emballer beaucoup dans une très petite zone, " a déclaré Tour. "Nous les empilons simplement.
"L'autre clé est que nous faisons cela très simplement. Rien dans le processus ne nécessite une salle blanche. Cela se fait sur un système laser commercial, comme on le trouve dans les ateliers d'usinage de routine, en plein air."
Ondulations, les rides et les pores inférieurs à 10 nanomètres à la surface et les imperfections au niveau atomique confèrent à LIG sa capacité à stocker beaucoup d'énergie. Mais le graphène conserve sa capacité à déplacer les électrons rapidement et lui confère les caractéristiques de charge et de libération rapides d'un supercondensateur. En test, les chercheurs ont chargé et déchargé les appareils pendant des milliers de cycles sans pratiquement aucune perte de capacité.
Pour montrer à quel point leurs supercondensateurs s'adaptent aux applications, les chercheurs ont câblé des paires de chaque type d'appareil en série et en parallèle. Comme prévu, ils ont trouvé que les périphériques série fournissaient le double de la tension de fonctionnement, tandis que les parallèles ont doublé le temps de décharge à la même densité de courant.
Les supercondensateurs verticaux n'ont montré presque aucun changement dans les performances électriques lorsqu'ils sont fléchis, même après 8h, 000 cycles de pliage.
Tour a déclaré que si les batteries lithium-ion à couche mince sont capables de stocker plus d'énergie, Les supercondensateurs LIG de même taille offrent trois fois les performances en puissance (la vitesse à laquelle l'énergie circule). Et les appareils LIG peuvent facilement évoluer pour une capacité accrue.
"Nous avons démontré que ce seront d'excellents composants de l'électronique flexible qui sera bientôt intégrée dans les vêtements et les biens de consommation, " il a dit.
