Os cientistas da Rice University avançaram seu recente desenvolvimento de grafeno induzido por laser (LIG), produzindo e testando empilhados, supercapacitores tridimensionais, dispositivos de armazenamento de energia que são importantes para portáteis, eletrônica flexível.

O laboratório do químico James Tour, do Rice, descobriu no ano passado que disparar um laser contra um polímero barato queimava outros elementos e deixava uma película de grafeno poroso, a muito estudada rede de carbono com a espessura de um átomo. Os pesquisadores viram o poroso, material condutor como um eletrodo perfeito para supercapacitores ou circuitos eletrônicos.

Para o provar, desde então, membros do grupo Tour ampliaram seu trabalho para fazer supercapacitores alinhados verticalmente com grafeno induzido por laser em ambos os lados de uma folha de polímero. As seções são então empilhadas com eletrólitos sólidos no meio para um sanduíche multicamadas com vários microssupercapacitores.

As pilhas flexíveis mostram excelente capacidade de armazenamento de energia e potencial de energia e podem ser aumentadas para aplicações comerciais. LIG pode ser feito ao ar em temperatura ambiente, talvez em quantidades industriais por meio de processos roll-to-roll, Tour disse.

A pesquisa foi relatada esta semana em Materiais Aplicados e Interfaces .

Capacitores usam uma carga eletrostática para armazenar energia que podem liberar rapidamente, para o flash de uma câmera, por exemplo. Ao contrário das baterias recarregáveis ​​de base química, os capacitores carregam rapidamente e liberam toda a sua energia de uma vez quando acionados. Mas as baterias químicas retêm muito mais energia. Os supercapacitores combinam qualidades úteis de ambos - carga / descarga rápida dos capacitores e capacidade de alta energia das baterias - em um único pacote.

Os supercapacitores LIG parecem capazes de fazer tudo isso com os benefícios adicionais de flexibilidade e escalabilidade. A flexibilidade garante que eles possam facilmente se conformar a pacotes variados - eles podem ser enrolados dentro de um cilindro, por exemplo - sem abrir mão do desempenho do dispositivo.

"O que fizemos é comparável aos microssupercapacitores que estão sendo comercializados agora, mas nossa capacidade de colocar dispositivos em uma configuração 3-D nos permite embalar muitos deles em uma área muito pequena, "Tour disse." Nós simplesmente empilhá-los.

"A outra chave é que estamos fazendo isso de forma muito simples. Nada no processo exige uma sala limpa. É feito em um sistema a laser comercial, como encontrado em oficinas de máquinas de rotina, ao ar livre."

Ondinhas, rugas e poros abaixo de 10 nanômetros na superfície e imperfeições em nível atômico dão ao LIG sua capacidade de armazenar muita energia. Mas o grafeno mantém sua capacidade de mover elétrons rapidamente e dá a ele as características de carga e liberação rápida de um supercapacitor. Em teste, os pesquisadores carregaram e descarregaram os dispositivos por milhares de ciclos, quase sem perda de capacitância.

Para mostrar o quão bem seus supercapacitores escalam para as aplicações, os pesquisadores conectaram pares de cada variedade de dispositivo em série e em paralelo. Como esperado, eles descobriram que os dispositivos seriais entregavam o dobro da voltagem de trabalho, enquanto os paralelos dobraram o tempo de descarga na mesma densidade de corrente.

Os supercapacitores verticais quase não mostraram nenhuma mudança no desempenho elétrico quando flexionados, mesmo depois das 8, 000 ciclos de dobra.

Tour disse que, embora as baterias de íon de lítio de película fina sejam capazes de armazenar mais energia, Supercapacitores LIG do mesmo tamanho oferecem três vezes o desempenho em potência (a velocidade na qual a energia flui). E os dispositivos LIG podem ser facilmente ampliados para aumentar a capacidade.

"Demonstramos que esses serão componentes excelentes dos eletrônicos flexíveis que em breve serão incorporados em roupas e bens de consumo, " ele disse.