p (Phys.org) —Enquanto a demanda por dispositivos eletrônicos cada vez menores estimulou a miniaturização de uma variedade de tecnologias, uma área ficou para trás nesta revolução de redução:unidades de armazenamento de energia, como baterias e capacitores. p Agora, Richard Kaner, membro do California NanoSystems Institute da UCLA e professor de química e bioquímica, e Maher El-Kady, um estudante de graduação no laboratório de Kaner, pode ter mudado o jogo.

p Os pesquisadores da UCLA desenvolveram uma técnica inovadora que usa um gravador de DVD para fabricar supercapacitores baseados em grafeno em microescala - dispositivos que podem carregar e descarregar de cem a mil vezes mais rápido do que as baterias padrão. Esses micro-supercapacitores, feito de uma camada de carbono grafítico com a espessura de um átomo, pode ser facilmente fabricado e prontamente integrado a pequenos dispositivos, como marcapassos de última geração.

p O novo método de fabricação de baixo custo, descrito em um estudo publicado esta semana na revista Nature Communications , é uma promessa para a produção em massa desses supercapacitores, que têm o potencial de transformar a eletrônica e outros campos.

p "A integração de unidades de armazenamento de energia com circuitos eletrônicos é um desafio e muitas vezes limita a miniaturização de todo o sistema, "disse Kaner, que também é professor de ciência de materiais e engenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas Henry Samueli da UCLA. "Isso ocorre porque os componentes de armazenamento de energia necessários diminuem de tamanho e não são adequados para as geometrias planas da maioria dos processos de fabricação integrados."

p "Os métodos tradicionais para a fabricação de microssupercapacitores envolvem técnicas litográficas de trabalho intensivo que se mostraram difíceis para a construção de dispositivos de baixo custo, limitando assim sua aplicação comercial, "El-Kady disse." Em vez disso, usamos um gravador de DVD LightScribe de consumo para produzir microssupercapacitores de grafeno em grandes áreas por uma fração do custo dos dispositivos tradicionais. Usando esta técnica, conseguimos produzir mais de 100 micro-supercapacitores em um único disco em menos de 30 minutos, usando materiais baratos. "

p O processo de miniaturização muitas vezes depende da tecnologia de nivelamento, tornando os dispositivos mais finos e mais parecidos com um plano geométrico que tem apenas duas dimensões. No desenvolvimento de seu novo micro-supercapacitor, Kaner e El-Kady usaram uma folha bidimensional de carbono, conhecido como grafeno, que tem apenas a espessura de um único átomo na terceira dimensão.

p Kaner e El-Kady discutem a tecnologia por trás de seus microssupercapacitores (dezembro de 2012):

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p Kaner e El-Kady aproveitaram um novo projeto estrutural durante a fabricação. Para que qualquer supercapacitor seja eficaz, dois eletrodos separados devem ser posicionados de forma que a área de superfície disponível entre eles seja maximizada. Isso permite que o supercapacitor armazene uma carga maior. Um projeto anterior empilhou as camadas de grafeno servindo como eletrodos, como as fatias de pão em um sanduíche. Embora este design fosse funcional, Contudo, não era compatível com circuitos integrados.

p Em seu novo design, os pesquisadores colocaram os eletrodos lado a lado usando um padrão interdigitado, semelhante a dedos entrelaçados. Isso ajudou a maximizar a área de superfície acessível disponível para cada um dos dois eletrodos, ao mesmo tempo que reduziu o caminho sobre o qual os íons no eletrólito precisariam se difundir. Como resultado, os novos supercapacitores têm mais capacidade de carga e capacidade de taxa do que seus equivalentes empilhados.

p Interessantemente, os pesquisadores descobriram que, ao colocar mais eletrodos por unidade de área, eles aumentaram a capacidade do micro-supercapacitor de armazenar ainda mais carga.

p Kaner e El-Kady foram capazes de fabricar esses supercapacitores intrincados usando uma técnica acessível e escalável que eles desenvolveram anteriormente. Eles colaram uma camada de plástico na superfície de um DVD e cobriram o plástico com uma camada de óxido de grafite. Então, eles simplesmente inseriram o disco revestido em uma unidade óptica LightScribe disponível comercialmente - tradicionalmente usada para rotular DVDs - e aproveitaram o próprio laser da unidade para criar o padrão interdigitado. O traçado a laser é tão preciso que nenhum dos "dedos entrelaçados" se tocam, que causaria um curto-circuito no supercapacitor.

p "Para rotular discos usando LightScribe, a superfície do disco é revestida com um corante reativo que muda de cor quando exposto à luz do laser. Em vez de imprimir neste revestimento especializado, nossa abordagem é revestir o disco com uma película de óxido de grafite, que então pode ser impresso diretamente, "Disse Kaner." Anteriormente, encontramos um efeito fototérmico incomum no qual o óxido de grafite absorve a luz do laser e é convertido em grafeno de maneira semelhante ao processo comercial LightScribe. Com a precisão do laser, o drive renderiza o padrão projetado por computador no filme de óxido de grafite para produzir os circuitos de grafeno desejados. "

p "O processo é simples, econômico e pode ser feito em casa, "El-Kady disse." Só é preciso um gravador de DVD e dispersão de óxido de grafite em água, que está disponível comercialmente a um custo moderado. "

p Os novos microssupercapacitores também são altamente flexíveis e flexíveis, tornando-os potencialmente úteis como dispositivos de armazenamento de energia em eletrônicos flexíveis, como telas e TVs roll-up, e-paper, e até mesmo eletrônicos vestíveis.

p Os pesquisadores mostraram a utilidade de seu novo micro-supercapacitor de grafeno gravado a laser em uma forma totalmente sólida, o que permitiria que qualquer novo dispositivo que os incorporasse fosse mais facilmente moldado e flexível. Os microssupercapacitores também podem ser fabricados diretamente em um chip usando a mesma técnica, tornando-os altamente úteis para integração em sistemas microeletromecânicos (MEMS) ou semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS).

p Esses microssupercapacitores mostram excelente estabilidade de ciclo, uma vantagem importante sobre as micro-baterias, que têm expectativa de vida mais curta e que podem representar um grande problema quando incorporados em estruturas permanentes, como implantes biomédicos, etiquetas de identificação de radiofrequência ativas e microssensores incorporados - para os quais nenhuma manutenção ou substituição é possível.

p Como eles podem ser integrados diretamente no chip, esses microssupercapacitores podem ajudar a extrair melhor a energia solar, fontes mecânicas e térmicas e, assim, tornar os sistemas autoalimentados mais eficientes. Eles também podem ser fabricados na parte traseira de células solares em dispositivos portáteis e instalações de telhado para armazenar a energia gerada durante o dia para uso após o pôr do sol, ajudando a fornecer eletricidade 24 horas por dia quando a conexão com a rede não for possível.

p "Agora estamos procurando parceiros da indústria para nos ajudar a produzir em massa nossos microssupercapacitores de grafeno, "Disse Kaner.