Gli scienziati dell'UC Santa Cruz e del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno riportato il primo esempio di elettrodi supercondensatori di grafene stampati in 3D ultraveloci che superano in prestazioni gli elettrodi comparabili realizzati con metodi tradizionali. I loro risultati aprono la porta al romanzo, progetti non vincolati di sistemi di accumulo di energia ad alta efficienza per smartphone, Indossabili, dispositivi impiantabili, auto elettriche e sensori wireless.

Utilizzando un processo di stampa 3D chiamato scrittura a inchiostro diretto e un inchiostro composito di ossido di grafene, il team è stato in grado di stampare elettrodi con microarchitettura e costruire supercondensatori con eccellenti caratteristiche prestazionali. I risultati sono stati pubblicati online il 20 gennaio sulla rivista Nano lettere e sarà presente sulla copertina del numero di marzo della rivista.

"I dispositivi a supercondensatore che utilizzano i nostri elettrodi di grafene stampati in 3D con spessori dell'ordine dei millimetri mostrano un'eccezionale ritenzione di capacità e densità di potenza, " ha detto l'autore corrispondente Yat Li, professore associato di chimica all'UC Santa Cruz. "Questa prestazione supera di gran lunga le prestazioni dei dispositivi convenzionali con elettrodi spessi, ed eguaglia o supera le prestazioni dei dispositivi segnalati realizzati con elettrodi da 10 a 100 volte più sottili."

L'ingegnere LLNL Cheng Zhu e lo studente laureato UCSC Tianyu Liu sono gli autori principali del documento. "Questo supera i limiti di ciò che la produzione 2D può fare, " Zhu ha detto. "Possiamo fabbricare una vasta gamma di architetture 3D. In un telefono, ad esempio, dovresti solo lasciare una piccola area per l'accumulo di energia. La geometria può essere molto complessa."

Ricarica rapida

I supercondensatori possono anche caricare incredibilmente velocemente, Zhu ha detto, in teoria richiedono solo pochi minuti o secondi per raggiungere la piena capacità. Nel futuro, i ricercatori ritengono che supercondensatori stampati in 3D di nuova concezione verranno utilizzati per creare componenti elettronici unici che sono attualmente difficili o addirittura impossibili da realizzare utilizzando altri metodi sintetici, inclusi smartphone completamente personalizzati e dispositivi cartacei o pieghevoli, raggiungendo allo stesso tempo livelli di prestazioni senza precedenti.

Secondo Li, diverse scoperte chiave hanno reso possibili questi nuovi dispositivi, a partire dallo sviluppo di un inchiostro stampabile a base di grafene. La modifica dello schema di stampa 3D per essere compatibile con la lavorazione dell'aerogel ha permesso di mantenere le importanti proprietà meccaniche ed elettriche dei singoli fogli di grafene nelle strutture stampate in 3D. Finalmente, l'uso della stampa 3D per progettare in modo intelligente macropori periodici nell'elettrodo di grafene migliora significativamente il trasporto di massa, consentendo al dispositivo di supportare velocità di carica/scarica molto più veloci senza degradare la sua capacità.

"Questo lavoro fornisce un esempio di come i materiali stampati in 3D come gli aerogel di grafene possono espandere significativamente lo spazio di progettazione per la fabbricazione di dispositivi di accumulo di energia ad alte prestazioni e completamente integrabili, ottimizzati per un'ampia gamma di applicazioni, " disse Li.

I vantaggi degli inchiostri a base di grafene includono la loro area superficiale ultraelevata, proprietà leggere, elasticità, e conducibilità elettrica superiore. I supercondensatori in aerogel in composito di grafene sono anche estremamente stabili, i ricercatori hanno riferito, in grado di conservare quasi completamente la propria capacità energetica dopo 10, 000 cicli di carica e scarica consecutivi.

"Il grafene è un materiale davvero incredibile perché è essenzialmente un singolo strato atomico che può essere creato dalla grafite. A causa della sua struttura e disposizione cristallina, ha capacità davvero fenomenali, ", ha affermato l'ingegnere dei materiali LLNL Eric Duoss.

Nel corso del prossimo anno, i ricercatori intendono espandere la tecnologia sviluppando nuovi progetti 3D, utilizzando inchiostri diversi, e migliorare le prestazioni dei materiali esistenti.