(PhysOrg.com) -- Condensatori elettrochimici (EC), noti anche come supercondensatori o ultracondensatori, differiscono dai normali condensatori che troveresti nella tua TV o nel tuo computer in quanto immagazzinano quantità di carica sostanzialmente più elevate. Hanno attirato l'attenzione come dispositivi di accumulo di energia poiché si caricano e si scaricano più velocemente delle batterie, tuttavia sono ancora limitati da basse densità di energia, solo una frazione della densità energetica delle batterie. Un EC che combini le prestazioni energetiche dei condensatori con l'elevata densità di energia delle batterie rappresenterebbe un progresso significativo nella tecnologia di accumulo di energia. Ciò richiede nuovi elettrodi che non solo mantengano un'elevata conduttività, ma forniscano anche un'area superficiale più elevata e più accessibile rispetto agli EC convenzionali che utilizzano elettrodi a carbone attivo.

Ora i ricercatori dell'UCLA hanno utilizzato un'unità ottica DVD LightScribe standard per produrre tali elettrodi. Gli elettrodi sono composti da una rete espansa di grafene - uno strato di carbonio grafitico dello spessore di un atomo - che mostra eccellenti proprietà meccaniche ed elettriche, nonché un'area superficiale eccezionalmente elevata.

Ricercatori UCLA del Dipartimento di Chimica e Biochimica, il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, e il California NanoSystems Institute dimostrano condensatori elettrochimici a base di grafene ad alte prestazioni che mantengono eccellenti attributi elettrochimici sotto stress meccanico elevato. Il documento è pubblicato sulla rivista Scienza .

Il processo si basa sul rivestimento di un disco DVD con un film di ossido di grafite che viene poi trattato al laser all'interno di un'unità DVD LightScribe per produrre elettrodi di grafene. Tipicamente, le prestazioni dei dispositivi di accumulo di energia sono valutate da due cifre principali, la densità di energia e la densità di potenza. Supponiamo di utilizzare il dispositivo per far funzionare un'auto elettrica:la densità di energia ci dice fino a che punto può andare l'auto con una singola carica mentre la densità di potenza ci dice quanto velocemente può andare l'auto. Qui, i dispositivi realizzati con elettrodi Laser Scribed Graphene (LSG) mostrano valori di densità di energia ultraelevata in diversi elettroliti, pur mantenendo l'elevata densità di potenza e l'eccellente stabilità del ciclo degli EC. Inoltre, questi EC mantengono eccellenti attributi elettrochimici sotto elevate sollecitazioni meccaniche e quindi promettono un'elevata potenza, elettronica flessibile.

"Il nostro studio dimostra che i nostri nuovi supercondensatori a base di grafene immagazzinano la stessa carica delle batterie convenzionali, ma può essere caricato e scaricato da cento a mille volte più velocemente, " ha detto Richard B. Kaner, professore di chimica e scienza dei materiali e ingegneria.

"Qui, presentiamo una strategia per la produzione di EC a base di grafene ad alte prestazioni attraverso un semplice approccio a stato solido che evita il rimontaggio dei fogli di grafene, " ha detto Maher F. El-Kady, l'autore principale dello studio e uno studente laureato nel laboratorio di Kaner.

Il team di ricerca ha fabbricato elettrodi LSG che non presentano i problemi degli elettrodi a carbone attivo che finora hanno limitato le prestazioni degli EC commerciali. Primo, Il laser LightScribe provoca la riduzione e l'esfoliazione simultanee dell'ossido di grafite e produce una rete aperta di LSG con una superficie sostanzialmente più alta e più accessibile. Ciò si traduce in una notevole capacità di accumulo di carica per i supercondensatori LSG. La struttura a rete aperta degli elettrodi aiuta a ridurre al minimo il percorso di diffusione degli ioni elettroliti, che è fondamentale per caricare il dispositivo. Ciò può essere spiegato dai fogli piatti di grafene facilmente accessibili, mentre la maggior parte della superficie del carbone attivo risiede in pori molto piccoli che limitano la diffusione degli ioni. Ciò significa che i supercondensatori LSG hanno la capacità di fornire una potenza ultraelevata in un breve periodo di tempo, mentre il carbone attivo non può.

Inoltre, Gli elettrodi LSG sono meccanicamente robusti e mostrano un'elevata conduttività (> 1700 S/m) rispetto ai carboni attivi (10-100 S/m). Ciò significa che gli elettrodi LSG possono essere utilizzati direttamente come elettrodi supercondensatori senza la necessità di leganti o collettori di corrente come nel caso degli EC convenzionali a carbone attivo. Per di più, queste proprietà consentono all'LSG di agire sia come materiale attivo che come collettore di corrente nella CE. La combinazione di entrambe le funzioni in un singolo strato porta a un'architettura semplificata e rende i supercondensatori LSG dispositivi economici.

Gli EC disponibili in commercio sono costituiti da un separatore inserito tra due elettrodi con elettrolita liquido avvolto a spirale e confezionato in un contenitore cilindrico o impilato in una pila a bottone. Sfortunatamente, queste architetture di dispositivi non solo soffrono di possibili perdite dannose di elettroliti, ma il loro design rende difficile utilizzarli per l'elettronica pratica e flessibile.

Il team di ricerca ha sostituito l'elettrolita liquido con un elettrolita gelificato polimerico che funge anche da separatore, riducendo ulteriormente lo spessore e il peso del dispositivo e semplificando il processo di fabbricazione in quanto non richiede materiali di imballaggio speciali.

Al fine di valutare in condizioni reali il potenziale di tutto questo LSG-EC allo stato solido per lo stoccaggio flessibile, il team di ricerca ha sottoposto un dispositivo a uno stress meccanico costante per analizzarne le prestazioni. Abbastanza interessante, questo non ha avuto quasi alcun effetto sulle prestazioni del dispositivo.

"Attribuiamo le elevate prestazioni e la durata all'elevata flessibilità meccanica degli elettrodi insieme alla struttura della rete compenetrante tra gli elettrodi LSG e l'elettrolita gelificato, " spiega Kaner. "L'elettrolita si solidifica durante l'assemblaggio del dispositivo e agisce come una colla che tiene insieme i componenti del dispositivo".

Il metodo migliora l'integrità meccanica e aumenta il ciclo di vita del dispositivo anche se testato in condizioni estreme.

Poiché questa notevole prestazione deve ancora essere realizzata in dispositivi commerciali, questi supercondensatori LSG potrebbero aprire la strada a sistemi di accumulo di energia ideali per la prossima generazione flessibile, elettronica portatile.