UCLA investigadores desarrollan nueva técnica para aumentar la escala de producción de grafeno micro supercondensadores 19-Feb-2013

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Investigadores de la UCLA desarrollan nueva técnica para aumentar la escala de producción de grafeno micro supercondensadores

Mientras que la demanda de dispositivos electrónicos cada vez más pequeños ha estimulado la miniaturización de una variedad de tecnologías, un área se ha quedado atrás en esta revolución downsizing: unidades de almacenamiento de energía, tales como baterías y condensadores.

Ahora, Richard Kaner, miembro del Instituto de California de Nanosistemas en UCLA y profesor de química y bioquímica, y Maher El-Kady, un estudiante graduado en el laboratorio de Kaner, pudieron haber cambiado el juego.

Los investigadores de la UCLA han desarrollado una técnica innovadora que utiliza una grabadora de DVD para fabricar supercondensadores basados ??en el grafeno a escala micro - dispositivos que se pueden cargar y descargar un centenar de miles de veces más rápido que las baterías estándar. Estos micro-supercondensadores, hechas de un solo átomo de espesor de capa de carbono grafito, se pueden fabricar fácilmente y se integran fácilmente en pequeños dispositivos como los marcapasos de nueva generación.

El nuevo método de fabricación rentable, que se describe en un estudio publicado esta semana en la journalNature Communications, es prometedora para la producción masiva de estos supercondensadores, que tienen el potencial de transformar la electrónica y otros campos.

"La integración de las unidades de almacenamiento de energía a los circuitos electrónicos es un reto y, a menudo limita la miniaturización de todo el sistema", dijo Kaner, quien también es profesor de ciencia de los materiales e ingeniería en la Escuela Henry Samueli de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UCLA. "Esto es porque los componentes de almacenamiento de energía necesarias escalar hacia abajo mal en tamaño y no se adaptan bien a las geometrías planas de la mayoría de los procesos de fabricación integrados."

"Los métodos tradicionales para la fabricación de micro supercondensadores implican técnicas litográficas de mano de obra que han demostrado ser difícil para la construcción de dispositivos rentables, lo que limita su aplicación comercial", dijo El-Kady. "En su lugar, se utilizó una grabadora LightScribe DVD del consumidor-grado para producir grafeno micro supercondensadores en grandes áreas, a una fracción del costo de los dispositivos tradicionales. Usando esta técnica, hemos sido capaces de producir más de 100 micro-supercondensadores en un solo disco en menos de 30 minutos, utilizando materiales de bajo costo ".

El proceso de miniaturización suele aprovecharse de aplanar la tecnología, por lo que los dispositivos más delgados y más a un plano geométrico que tiene sólo dos dimensiones. En el desarrollo de su nuevo micro-supercondensador, Kaner y El-Kady utilizan una lámina bidimensional de carbono, conocido como grafeno, que sólo tiene el espesor de un solo átomo en la tercera dimensión.

Kaner y El-Kady se aprovecharon de un nuevo diseño estructural durante la fabricación. Para cualquier supercondensador para ser eficaz, dos electrodos separados tienen que ser posicionado de modo que se maximiza el área de superficie disponible entre ellos. Esto permite que el supercapacitor para almacenar una carga mayor. Un diseño anterior apilan las capas de grafeno sirven como electrodos, como las rebanadas de pan en un sandwich. Aunque este diseño era funcional, sin embargo, no era compatible con los circuitos integrados.

En su nuevo diseño, los investigadores colocaron electrodos del lado a lado con un patrón interdigitada, similar a los dedos entrelazados. Esto ayudó a maximizar el área de superficie accesible, disponible para cada uno de los dos electrodos al mismo tiempo reducir el camino sobre el cual los iones en el electrolito tendría que difundir. Como resultado, los nuevos supercondensadores tienen más capacidad de carga y capacidad de velocidad que sus homólogos apiladas.

Curiosamente, los investigadores encontraron que mediante la colocación de electrodos más por unidad de área, ellos aumentaron la capacidad del micro-supercapacitor para almacenar más carga.

Kaner y El-Kady eran capaces de fabricar estos supercondensadores complejos usando una técnica asequible y escalable que habían desarrollado anteriormente. Se pegan una capa de plástico sobre la superficie de un DVD y luego recubiertas el plástico con una capa de óxido de grafito. Luego, simplemente se inserta el disco recubierto en un comercialmente disponible de la unidad óptica LightScribe - Tradicionalmente utilizado para etiquetar DVDs - y aprovecharon propio láser de la unidad para crear el patrón de elementos intercalados. El trazado por láser es tan precisa que ninguno de los "dedos entrelazados" toque entre sí, que un cortocircuito en la supercapacitor.

"Para etiquetar discos con LightScribe, la superficie del disco está recubierta con un colorante reactivo que cambia de color con la exposición a la luz láser. En lugar de imprimir en este revestimiento especial, nuestro enfoque consiste en recubrir el disco con una película de óxido de grafito, que luego se pueden imprimir directamente sobre ", dijo Kaner. "Anteriormente hemos encontrado un efecto foto-térmica inusual en el que el óxido de grafito absorbe la luz láser y se convierte en grafeno de una manera similar al proceso de LightScribe comercial. Con la precisión del láser, la unidad hace que el patrón de ordenador diseñados sobre la película de óxido de grafito para producir los circuitos de grafeno deseados ".

"El proceso es sencillo, rentable y se puede hacer en casa", dijo El-Kady. "Uno sólo necesita una dispersión grabadora de DVD y el óxido de grafito en agua, que está disponible comercialmente a un coste moderado."

Los nuevos micro supercondensadores son también altamente flexible y que puede ser girada, haciéndolos potencialmente útiles como dispositivos de almacenamiento de energía en dispositivos electrónicos flexibles como pantallas enrollables y TV, e-papel y electrónica, incluso portátiles.

Los investigadores demostraron la utilidad de su nuevo grafeno micro-supercapacitor láser descrito en una forma totalmente sólida, lo que permitiría a cualquier nuevo dispositivo que incorpora a ser en forma más fácil y flexible. Los micro-supercondensadores también se pueden fabricar directamente en un chip usando la misma técnica, lo que son muy útiles para la integración en sistemas de micro-electromecánicos (MEMS) o de metal-óxido-semiconductores complementarios (CMOS).

Estos micro-supercondensadores muestran una excelente estabilidad de la bicicleta, una importante ventaja sobre los micro-baterías, que tienen esperanzas de vida más cortos y que podrían suponer un problema importante si se integra en las estructuras permanentes - como implantes biomédicos, las etiquetas de identificación por radiofrecuencia activa y micro-sensores integrados - para los que sea posible ningún tipo de mantenimiento o reemplazo.

A medida que se pueden integrar directamente en el chip, estos micro-supercondensadores pueden ayudar a una mejor energía extracto de fuentes solares, térmicas y mecánicas y por lo tanto hacer que los sistemas autoamplificados más eficientes. También podrían ser fabricados en la parte trasera de las células solares en dispositivos portátiles y las instalaciones de la azotea para almacenar la energía generada durante el día para su uso después de la puesta del sol, ayudando a proporcionar electricidad durante todo el día cuando la conexión a la red no es posible.

"Ahora estamos buscando a socios de la industria para ayudarnos a producir en masa nuestros grafeno micro supercondensadores", dijo Kaner.

El Instituto NanoSystems de California es un centro de investigación integrada ubicada en la UCLA y UC Santa Barbara. Su misión es fomentar la colaboración interdisciplinaria en la nanociencia y la nanotecnología; para entrenar a una nueva generación de científicos, educadores y líderes de la tecnología; generar alianzas con la industria; y para contribuir al desarrollo económico y el bienestar social de la California, los Estados Unidos y el mundo. El CNSI se creó en 2000 con $ 100 millones del estado de California. La cantidad total de financiación de la investigación en nanociencia y nanotecnología otorgado a los miembros CNSI se ha elevado a más de $ 900 millones. Miembros UCLA CNSI se han extraído de la Facultad de Letras y Ciencias, la Escuela de Medicina Geffen David, la Facultad de Odontología, la Escuela de Salud Pública y el Samueli Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Henry de la UCLA. Se dedican a la medición, la modificación y la manipulación de átomos y moléculas - los bloques de construcción de nuestro mundo. Su trabajo se lleva a cabo en un entorno de laboratorio integrado. Esta configuración dinámica de investigación ha mejorado la comprensión de los fenómenos en la nanoescala y promete producir descubrimientos importantes en la salud, la energía, el medio ambiente y tecnología de la información.

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