Il fut un temps au cours du développement précoce de l'électronique portable où le plus grand obstacle à surmonter était de rendre l'appareil suffisamment petit pour être considéré comme portable. Après l'invention du microprocesseur au début des années 1970, miniature, les appareils électroniques portables sont devenus monnaie courante et depuis le prochain défi a été de trouver une source d'alimentation tout aussi petite et fiable. Les batteries chimiques stockent beaucoup d'énergie mais nécessitent une longue période de temps pour que cette énergie se charge et se décharge et ont une durée de vie limitée. Les condensateurs se chargent rapidement mais ne peuvent pas stocker suffisamment de charge pour fonctionner assez longtemps pour être pratiques. Une solution possible est ce qu'on appelle un micro-supercondensateur à semi-conducteurs (MSC). Les supercondensateurs sont armés de la puissance d'une batterie et peuvent également maintenir cette puissance pendant une période prolongée. Les chercheurs ont tenté de créer des MSC dans le passé en utilisant divers hybrides de métaux et de polymères, mais aucun n'était adapté à une utilisation pratique. Dans des essais plus récents utilisant du graphène et des nanotubes de carbone pour fabriquer des CSM, les résultats étaient tout aussi médiocres.
Une équipe internationale de chercheurs dirigée par Young Hee Lee, y compris des scientifiques du Center for Integrated Nanostructure Physics de l'Institute for Basic Science (IBS) et du Department of Energy Science de l'Université Sungkyunkwan en Corée du Sud, a mis au point une nouvelle technique pour créer un MSC qui ne présente pas les défauts des tentatives précédentes mais offre au contraire des performances électrochimiques élevées.
Lors de la conception de quelque chose de nouveau et de complexe, parfois, la meilleure inspiration est déjà trouvée dans la nature. L'équipe a modélisé la structure de leur film MSC sur des feuilles à texture veineuse naturelle afin de tirer parti des voies de transport naturelles qui permettent une diffusion efficace des ions parallèlement aux plans de graphène qui s'y trouvent.
Pour créer cette finale, forme efficace, l'équipe a superposé un film hybride de graphène avec des nanofils d'hydroxyde de cuivre. Après de nombreuses couches alternées, ils ont atteint l'épaisseur souhaitée, et a ajouté une solution acide pour dissoudre les nanofils de sorte qu'un film mince avec des nano-impressions était tout ce qui restait.
Pour fabriquer les MSC, le film a été appliqué sur une couche de plastique avec une fine couche de Des bandes d'or parallèles d'environ 5 m de long sont placées sur le dessus. Tout ce qui n'était pas recouvert par les bandes d'or a été gravé chimiquement de sorte qu'il ne restait que les bandes d'or au-dessus d'une couche de film. Des plots de contact en or perpendiculaires aux bandes d'or ont été ajoutés et un gel conducteur a rempli les espaces restants et a pu se solidifier. Une fois décollé de la couche de plastique, les MSC finis ressemblent à du ruban transparent avec des fils électriques dorés sur les côtés opposés.
L'équipe a produit des résultats de test étonnants. En plus de sa densité énergétique supérieure, le film est très flexible et augmente en fait la capacité après la première utilisation. La densité d'énergie volumétrique était 10 fois supérieure à celle des supercondensateurs commerciaux actuellement disponibles et également bien supérieure à toute autre recherche récente. Les MSC affichent des propriétés électriques d'environ cinq ordres de grandeur supérieures à celles des batteries au lithium similaires et sont comparables à celles existantes, supercondensateurs plus gros. Selon Lee, "A notre connaissance, la densité d'énergie volumétrique et la densité de puissance volumétrique maximale dans notre travail sont les valeurs les plus élevées parmi tous les MSC à l'état solide à base de carbone signalés à ce jour.
À l'avenir, les consommateurs alimenteront probablement leurs appareils avec des MSC au lieu de batteries. Applications pour la lumière, stockage d'énergie fiable combiné à une longue durée de vie et un temps de charge/décharge rapide. Les MSC de l'équipe pourraient être intégrés dans une puce de circuit électronique en tant que sources d'alimentation pour des applications pratiques telles que les dispositifs médicaux implantables, étiquettes actives d'identification par radiofréquence, et des micro-robots. Si les ingénieurs utilisent l'incroyable flexibilité du matériau, ces MSC pourraient être utilisés en portable, extensible, et même des appareils électroniques portables.
