Des scientifiques de l'UC Santa Cruz et du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont signalé le premier exemple d'électrodes de supercondensateur en graphène ultrarapides imprimées en 3D qui surpassent les électrodes comparables fabriquées via des méthodes traditionnelles. Leurs résultats ouvrent la porte au roman, conceptions sans contraintes de systèmes de stockage d'énergie hautement efficaces pour smartphones, portables, dispositifs implantables, voitures électriques et capteurs sans fil.

En utilisant un processus d'impression 3D appelé écriture à l'encre directe et une encre composite d'oxyde de graphène, l'équipe a pu imprimer des électrodes micro-architecturées et construire des supercondensateurs avec d'excellentes caractéristiques de performance. Les résultats ont été publiés en ligne le 20 janvier dans la revue Lettres nano et figurera sur la couverture du numéro de mars de la revue.

"Les dispositifs de supercondensateurs utilisant nos électrodes en graphène imprimées en 3D avec des épaisseurs de l'ordre du millimètre présentent une rétention de capacité et des densités de puissance exceptionnelles, " a déclaré l'auteur correspondant Yat Li, professeur agrégé de chimie à l'UC Santa Cruz. "Ces performances dépassent largement les performances des appareils classiques à électrodes épaisses, et il égale ou dépasse les performances des appareils rapportés fabriqués avec des électrodes 10 à 100 fois plus fines. »

L'ingénieur LLNL Cheng Zhu et l'étudiant diplômé de l'UCSC Tianyu Liu sont les principaux auteurs de l'article. « Cela dépasse les limites de ce que la fabrication 2D peut faire, " a déclaré Zhu. "Nous pouvons fabriquer une large gamme d'architectures 3D. Dans un téléphone, par exemple, il vous suffirait de laisser une petite zone pour le stockage d'énergie. La géométrie peut être très complexe."

Charge rapide

Les supercondensateurs peuvent également charger incroyablement rapidement, Zhu a dit, en théorie, il ne faut que quelques minutes ou secondes pour atteindre sa pleine capacité. À l'avenir, les chercheurs pensent que des supercondensateurs imprimés en 3D nouvellement conçus seront utilisés pour créer une électronique unique qui est actuellement difficile, voire impossible à fabriquer à l'aide d'autres méthodes synthétiques, y compris les smartphones entièrement personnalisés et les appareils papier ou pliables, tout en atteignant des niveaux de performances sans précédent.

Selon Li, plusieurs percées clés ont rendu ces nouveaux dispositifs possibles, en commençant par le développement d'une encre imprimable à base de graphène. La modification du schéma d'impression 3D pour être compatible avec le traitement par aérogel a permis de maintenir les propriétés mécaniques et électriques importantes des feuilles de graphène individuelles dans les structures imprimées en 3D. Finalement, l'utilisation de l'impression 3D pour concevoir intelligemment des macropores périodiques dans l'électrode de graphène améliore considérablement le transport de masse, permettant à l'appareil de supporter des taux de charge/décharge beaucoup plus rapides sans dégrader sa capacité.

"Ce travail fournit un exemple de la façon dont les matériaux imprimés en 3D tels que les aérogels de graphène peuvent étendre considérablement l'espace de conception pour la fabrication de dispositifs de stockage d'énergie hautes performances et entièrement intégrables optimisés pour une large gamme d'applications, " dit Li.

Les avantages des encres à base de graphène incluent leur surface ultra-élevée, propriétés légères, élasticité, et une conductivité électrique supérieure. Les supercondensateurs en aérogel composite de graphène sont également extrêmement stables, les chercheurs ont rapporté, capables de conserver presque entièrement leur capacité énergétique après 10, 000 cycles de charge et de décharge consécutifs.

"Le graphène est un matériau vraiment incroyable car il s'agit essentiellement d'une seule couche atomique qui peut être créée à partir de graphite. En raison de sa structure et de son arrangement cristallin, il a des capacités vraiment phénoménales, " a déclaré Eric Duoss, ingénieur en matériaux de LLNL.

Au cours de l'année suivante, les chercheurs ont l'intention d'étendre la technologie en développant de nouvelles conceptions 3D, en utilisant différentes encres, et l'amélioration des performances des matériaux existants.