(Phys.org)—Mentre la domanda di dispositivi elettronici sempre più piccoli ha stimolato la miniaturizzazione di una varietà di tecnologie, un'area è rimasta indietro in questa rivoluzione di ridimensionamento:le unità di accumulo di energia, come batterie e condensatori.

Ora, Richard Kaner, membro del California NanoSystems Institute presso l'UCLA e professore di chimica e biochimica, e Maher El-Kady, uno studente laureato nel laboratorio di Kaner, potrebbe aver cambiato il gioco.

I ricercatori dell'UCLA hanno sviluppato una tecnica innovativa che utilizza un masterizzatore DVD per fabbricare supercondensatori a base di grafene, dispositivi in ​​grado di caricare e scaricare da cento a mille volte più velocemente delle batterie standard. Questi micro-supercondensatori, costituito da uno strato di carbonio grafitico dello spessore di un atomo, possono essere facilmente fabbricati e facilmente integrati in piccoli dispositivi come i pacemaker di nuova generazione.

Il nuovo metodo di fabbricazione conveniente, descritto in uno studio pubblicato questa settimana sulla rivista Comunicazioni sulla natura , mantiene la promessa per la produzione di massa di questi supercondensatori, che hanno il potenziale per trasformare l'elettronica e altri campi.

"L'integrazione delle unità di accumulo di energia con i circuiti elettronici è impegnativa e spesso limita la miniaturizzazione dell'intero sistema, " ha detto Kaner, che è anche professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Henry Samueli School of Engineering and Applied Science dell'UCLA. "Questo perché i componenti necessari per l'immagazzinamento dell'energia si ridimensionano poco e non sono adatti alle geometrie planari della maggior parte dei processi di fabbricazione integrati".

"I metodi tradizionali per la fabbricazione di micro-supercondensatori comportano tecniche litografiche ad alta intensità di lavoro che si sono dimostrate difficili per la costruzione di dispositivi economici, limitando così la loro applicazione commerciale, " El-Kady ha detto. "Invece, abbiamo utilizzato un masterizzatore DVD LightScribe di livello consumer per produrre micro-supercondensatori in grafene su ampie aree a una frazione del costo dei dispositivi tradizionali. Utilizzando questa tecnica, siamo stati in grado di produrre più di 100 micro-supercondensatori su un singolo disco in meno di 30 minuti, utilizzando materiali a basso costo".

Il processo di miniaturizzazione si basa spesso sulla tecnologia dell'appiattimento, rendendo i dispositivi più sottili e più simili a un piano geometrico che ha solo due dimensioni. Nello sviluppo del loro nuovo micro-supercondensatore, Kaner ed El-Kady hanno usato un foglio di carbonio bidimensionale, noto come grafene, che ha solo lo spessore di un singolo atomo nella terza dimensione.

Kaner ed El-Kady discutono della tecnologia alla base dei loro micro-supercondensatori (dicembre 2012):

Kaner ed El-Kady hanno approfittato di un nuovo design strutturale durante la fabbricazione. Affinché qualsiasi supercondensatore sia efficace, due elettrodi separati devono essere posizionati in modo da massimizzare la superficie disponibile tra di loro. Ciò consente al supercondensatore di immagazzinare una carica maggiore. Un progetto precedente impilava gli strati di grafene che fungevano da elettrodi, come le fette di pane su un panino. Sebbene questo design fosse funzionale, però, non era compatibile con i circuiti integrati.

Nel loro nuovo design, i ricercatori hanno posizionato gli elettrodi uno accanto all'altro utilizzando uno schema interdigitato, simile a dita intrecciate. Ciò ha contribuito a massimizzare la superficie accessibile disponibile per ciascuno dei due elettrodi riducendo anche il percorso lungo il quale gli ioni nell'elettrolita dovrebbero diffondersi. Di conseguenza, i nuovi supercondensatori hanno più capacità di carica e capacità di velocità rispetto alle loro controparti impilate.

interessante, i ricercatori hanno scoperto che posizionando più elettrodi per unità di superficie, hanno potenziato la capacità del micro-supercondensatore di immagazzinare ancora più carica.

Kaner ed El-Kady sono stati in grado di fabbricare questi intricati supercondensatori utilizzando una tecnica economica e scalabile che avevano sviluppato in precedenza. Hanno incollato uno strato di plastica sulla superficie di un DVD e poi hanno rivestito la plastica con uno strato di ossido di grafite. Quindi, hanno semplicemente inserito il disco rivestito in un'unità ottica LightScribe disponibile in commercio, tradizionalmente utilizzata per etichettare i DVD, e hanno sfruttato il laser dell'unità per creare il modello interdigitato. La tracciatura laser è così precisa che nessuna delle "dita intrecciate" si tocca, che cortocircuiterebbe il supercondensatore.

"Per etichettare i dischi utilizzando LightScribe, la superficie del disco è rivestita con un colorante reattivo che cambia colore all'esposizione alla luce laser. Invece di stampare su questo rivestimento specializzato, il nostro approccio è quello di rivestire il disco con un film di ossido di grafite, che poi può essere direttamente stampato su, " ha detto Kaner. "In precedenza abbiamo trovato un insolito effetto fototermico in cui l'ossido di grafite assorbe la luce laser e viene convertito in grafene in modo simile al processo commerciale LightScribe. Con la precisione del laser, l'unità esegue il rendering del modello progettato al computer sulla pellicola di ossido di grafite per produrre i circuiti di grafene desiderati".

"Il processo è semplice, conveniente e può essere fatto a casa, " El-Kady ha detto. "Uno ha bisogno solo di un masterizzatore DVD e dispersione di ossido di grafite in acqua, che è disponibile in commercio a un costo moderato."

I nuovi micro-supercondensatori sono anche altamente pieghevoli e twistable, rendendoli potenzialmente utili come dispositivi di accumulo di energia nell'elettronica flessibile come display roll-up e TV, carta elettronica, e persino l'elettronica indossabile.

I ricercatori hanno mostrato l'utilità del loro nuovo micro-supercondensatore di grafene inciso al laser in una forma completamente solida, che consentirebbe a qualsiasi nuovo dispositivo che li incorpora di essere più facilmente modellato e flessibile. I micro-supercondensatori possono anche essere fabbricati direttamente su un chip utilizzando la stessa tecnica, rendendoli altamente utili per l'integrazione in sistemi microelettromeccanici (MEMS) o semiconduttori di ossido di metallo complementari (CMOS).

Questi micro-supercondensatori mostrano un'eccellente stabilità al ciclo, un vantaggio importante rispetto alle micro-batterie, che hanno una durata di vita più breve e che potrebbero rappresentare un grosso problema se incorporati in strutture permanenti, come impianti biomedici, tag di identificazione a radiofrequenza attivi e microsensori incorporati, per i quali non è possibile alcuna manutenzione o sostituzione.

Poiché possono essere integrati direttamente su chip, questi micro-supercondensatori possono aiutare a estrarre meglio energia dal solare, sorgenti meccaniche e termiche e quindi rendere più efficienti i sistemi autoalimentati. Potrebbero anche essere fabbricati sul retro delle celle solari sia in dispositivi portatili che in installazioni sul tetto per immagazzinare l'energia generata durante il giorno per l'uso dopo il tramonto, contribuendo a fornire elettricità 24 ore su 24 quando la connessione alla rete non è possibile.

"Stiamo ora cercando partner del settore che ci aiutino a produrre in serie i nostri micro-supercondensatori al grafene, " ha detto Kaner.