(PhysOrg.com) - Capacitores eletroquímicos (ECs), também conhecidos como supercapacitores ou ultracapacitores, diferem dos capacitores normais que você encontraria em sua TV ou computador porque armazenam quantidades substancialmente maiores de cargas. Eles chamaram a atenção como dispositivos de armazenamento de energia, pois carregam e descarregam mais rápido do que as baterias, no entanto, eles ainda são limitados por baixas densidades de energia, apenas uma fração da densidade de energia das baterias. Um CE que combina o desempenho de energia dos capacitores com a alta densidade de energia das baterias representaria um avanço significativo na tecnologia de armazenamento de energia. Isso requer novos eletrodos que não apenas mantenham a alta condutividade, mas também forneçam uma área de superfície mais alta e mais acessível do que os ECs convencionais que usam eletrodos de carvão ativado.

Agora, os pesquisadores da UCLA usaram uma unidade óptica de DVD LightScribe padrão para produzir esses eletrodos. Os eletrodos são compostos por uma rede expandida de grafeno - uma camada de carbono grafítico com um átomo de espessura - que mostra excelentes propriedades mecânicas e elétricas, bem como área de superfície excepcionalmente alta.

Pesquisadores da UCLA do Departamento de Química e Bioquímica, o Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, e o California NanoSystems Institute demonstra capacitores eletroquímicos de alto desempenho à base de grafeno que mantêm excelentes atributos eletroquímicos sob alto estresse mecânico. O artigo é publicado na revista Ciência .

O processo é baseado no revestimento de um disco de DVD com um filme de óxido de grafite que é então tratado a laser dentro de uma unidade de DVD LightScribe para produzir eletrodos de grafeno. Tipicamente, o desempenho dos dispositivos de armazenamento de energia é avaliado por duas figuras principais, a densidade de energia e densidade de potência. Suponha que estejamos usando o dispositivo para dirigir um carro elétrico - a densidade de energia nos diz a que distância o carro pode ir com uma única carga, enquanto a densidade de potência nos diz a que velocidade o carro pode ir. Aqui, dispositivos feitos com eletrodos de grafeno com laser escrito (LSG) exibem valores de densidade de energia ultra-altos em diferentes eletrólitos, enquanto mantêm a alta densidade de potência e excelente estabilidade de ciclo de ECs. Além disso, esses ECs mantêm excelentes atributos eletroquímicos sob alto estresse mecânico e, portanto, prometem alta potência, eletrônica flexível.

"Nosso estudo demonstra que nossos novos supercapacitores baseados em grafeno armazenam tanta carga quanto as baterias convencionais, mas pode ser carregado e descarregado cem a mil vezes mais rápido, "disse Richard B. Kaner, professor de química e ciência dos materiais e engenharia.

"Aqui, apresentamos uma estratégia para a produção de ECs baseados em grafeno de alto desempenho por meio de uma abordagem simples de estado sólido que evita o empilhamento de folhas de grafeno, "disse Maher F. El-Kady, o principal autor do estudo e um aluno de pós-graduação no laboratório de Kaner.

A equipe de pesquisa fabricou eletrodos LSG que não apresentam os problemas dos eletrodos de carvão ativado, que até agora limitaram o desempenho dos CEs comerciais. Primeiro, O laser LightScribe causa a redução e esfoliação simultâneas do óxido de grafite e produz uma rede aberta de LSG com área de superfície substancialmente mais alta e mais acessível. Isso resulta em uma capacidade de armazenamento de carga considerável para os supercapacitores LSG. A estrutura de rede aberta dos eletrodos ajuda a minimizar o caminho de difusão de íons eletrolíticos, o que é crucial para carregar o dispositivo. Isso pode ser explicado pelas folhas planas de grafeno facilmente acessíveis, ao passo que a maior parte da área superficial do carvão ativado reside em poros muito pequenos que limitam a difusão dos íons. Isso significa que os supercapacitores LSG têm a capacidade de fornecer potência ultra-alta em um curto período de tempo, ao passo que o carvão ativado não pode.

Adicionalmente, Os eletrodos LSG são mecanicamente robustos e mostram alta condutividade (> 1700 S / m) em comparação com os carvões ativados (10-100 S / m). Isso significa que os eletrodos LSG podem ser usados ​​diretamente como eletrodos de supercapacitor sem a necessidade de ligantes ou coletores de corrente, como é o caso dos ECs convencionais de carvão ativado. Além disso, essas propriedades permitem que o LSG atue como o material ativo e o coletor de corrente no CE. A combinação de ambas as funções em uma única camada leva a uma arquitetura simplificada e torna os supercapacitores LSG dispositivos econômicos.

Os ECs disponíveis comercialmente consistem em um separador ensanduichado entre dois eletrodos com eletrólito líquido que é enrolado em espiral e embalado em um recipiente cilíndrico ou empilhado em uma célula-botão. Infelizmente, essas arquiteturas de dispositivo não sofrem apenas de possível vazamento prejudicial de eletrólitos, mas seu design torna difícil usá-los para eletrônicos flexíveis práticos.

A equipe de pesquisa substituiu o eletrólito líquido por um eletrólito gelificado de polímero que também atua como um separador, reduzindo ainda mais a espessura e o peso do dispositivo e simplificando o processo de fabricação, uma vez que não requer materiais de embalagem especiais.

A fim de avaliar em condições reais o potencial deste LSG-EC de estado sólido para armazenamento flexível, a equipe de pesquisa colocou um dispositivo sob constante estresse mecânico para analisar seu desempenho. Interessantemente suficiente, isso quase não afetou o desempenho do dispositivo.

"Atribuímos o alto desempenho e durabilidade à alta flexibilidade mecânica dos eletrodos, juntamente com a estrutura de rede interpenetrante entre os eletrodos LSG e o eletrólito gelificado, "explica Kaner." O eletrólito se solidifica durante a montagem do dispositivo e atua como cola que mantém os componentes do dispositivo juntos. "

O método melhora a integridade mecânica e aumenta o ciclo de vida do dispositivo, mesmo quando testado em condições extremas.

Uma vez que esse desempenho notável ainda não foi alcançado em dispositivos comerciais, esses supercapacitores LSG podem liderar o caminho para sistemas de armazenamento de energia ideais para flexibilidade de próxima geração, eletrônicos portáteis.