C'è stato un periodo durante il primo sviluppo dell'elettronica portatile in cui l'ostacolo più grande da superare era rendere il dispositivo abbastanza piccolo da essere considerato portatile. Dopo l'invenzione del microprocessore nei primi anni '70, miniatura, l'elettronica portatile è diventata un luogo comune e da allora la sfida successiva è stata trovare una fonte di alimentazione altrettanto piccola e affidabile. Le batterie chimiche immagazzinano molta energia ma richiedono un lungo periodo di tempo per caricarsi e scaricarsi e hanno una durata limitata. I condensatori si caricano rapidamente ma non possono immagazzinare abbastanza carica per funzionare abbastanza a lungo da essere pratici. Una possibile soluzione è qualcosa chiamato micro-supercondensatore a stato solido (MSC). I supercondensatori sono armati con la potenza di una batteria e possono anche sostenere tale potenza per un periodo di tempo prolungato. I ricercatori hanno tentato di creare MSC in passato utilizzando vari ibridi di metalli e polimeri, ma nessuno era adatto per l'uso pratico. In prove più recenti che utilizzano grafene e nanotubi di carbonio per produrre MSC, i risultati sono stati ugualmente poco brillanti.
Un team internazionale di ricercatori guidati da Young Hee Lee, tra cui scienziati del Center for Integrated Nanostructure Physics presso l'Institute for Basic Science (IBS) e del Dipartimento di Scienze Energetiche della Sungkyunkwan University in Corea del Sud, ha ideato una nuova tecnica per creare un MSC che non ha le carenze dei tentativi precedenti ma offre invece elevate prestazioni elettrochimiche.
Quando si progetta qualcosa di nuovo e complesso, a volte la migliore ispirazione è quella già trovata in natura. Il team ha modellato la struttura del film MSC su foglie naturali con venature per sfruttare i percorsi di trasporto naturali che consentono un'efficiente diffusione di ioni parallela ai piani di grafene presenti al loro interno.
Per creare questo finale, forma efficiente, il team ha stratificato un film ibrido di grafene con nanofili di idrossido di rame. Dopo molti strati alternati hanno raggiunto lo spessore desiderato, e aggiunse una soluzione acida per dissolvere i nanofili in modo che tutto ciò che rimaneva fosse una pellicola sottile con nanoimpressioni.
Per fabbricare le MSC il film è stato applicato su uno strato di plastica con sottili, Strisce dorate parallele lunghe ~5μm posizionate sopra. Tutto ciò che non era coperto dalle strisce d'oro è stato inciso chimicamente in modo che siano rimaste solo le strisce d'oro sopra uno strato di pellicola. Sono stati aggiunti cuscinetti d'oro perpendicolari alle strisce d'oro e un gel conduttivo è stato riempito negli spazi rimanenti ed è stato lasciato solidificare. Una volta staccato dallo strato di plastica, gli MSC finiti assomigliano a un nastro trasparente con cavi elettrici dorati sui lati opposti.
Il team ha prodotto risultati di test sorprendenti. Oltre alla sua densità di energia superiore, il film è altamente flessibile e aumenta effettivamente la capacità dopo l'uso iniziale. La densità di energia volumetrica era 10 volte superiore ai supercondensatori commerciali attualmente disponibili e anche di gran lunga superiore a qualsiasi altra ricerca recente. Le MSC mostrano proprietà elettriche di circa cinque ordini di grandezza superiori rispetto a batterie al litio simili e sono paragonabili a quelle esistenti, supercondensatori più grandi. Secondo Lee, "Per quello che ci risulta, la densità di energia volumetrica e la densità di potenza volumetrica massima nel nostro lavoro sono i valori più alti tra tutti gli MSC a stato solido a base di carbonio riportati fino ad oggi."
Nel futuro, i consumatori probabilmente alimenteranno i loro dispositivi con MSC invece che con batterie. Applicazioni per la luce, accumulo di energia affidabile combinato con una lunga durata e tempi di carica/scarica rapidi. Gli MSC del team potrebbero essere incorporati in un chip di circuito elettronico come fonti di alimentazione per applicazioni pratiche come dispositivi medici impiantabili, tag di identificazione a radiofrequenza attivi, e micro robot. Se gli ingegneri utilizzano l'incredibile flessibilità del materiale, questi MSC potrebbero essere utilizzati in dispositivi portatili, estensibile, e persino dispositivi elettronici indossabili.
