(PhysOrg.com) - Condensadores electroquímicos (EC), también conocidos como supercondensadores o ultracondensadores, se diferencian de los condensadores normales que encontrará en su televisor o computadora en que almacenan cantidades sustancialmente mayores de cargas. Han llamado la atención como dispositivos de almacenamiento de energía, ya que se cargan y descargan más rápido que las baterías. sin embargo, todavía están limitados por bajas densidades de energía, sólo una fracción de la densidad energética de las baterías. Una CE que combine el rendimiento energético de los condensadores con la alta densidad energética de las baterías representaría un avance significativo en la tecnología de almacenamiento de energía. Esto requiere nuevos electrodos que no solo mantengan una alta conductividad, sino que también proporcionen un área de superficie más alta y más accesible que los EC convencionales que usan electrodos de carbón activado.

Ahora, los investigadores de UCLA han utilizado una unidad óptica de DVD LightScribe estándar para producir tales electrodos. Los electrodos están compuestos por una red expandida de grafeno, una capa de carbono grafítico de un átomo de espesor, que muestra excelentes propiedades mecánicas y eléctricas, así como un área de superficie excepcionalmente alta.

Investigadores de UCLA del Departamento de Química y Bioquímica, el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y el California NanoSystems Institute demuestran condensadores electroquímicos basados ​​en grafeno de alto rendimiento que mantienen excelentes atributos electroquímicos bajo un alto estrés mecánico. El artículo se publica en la revista Ciencias .

El proceso se basa en recubrir un disco DVD con una película de óxido de grafito que luego se trata con láser dentro de una unidad de DVD LightScribe para producir electrodos de grafeno. Típicamente, el rendimiento de los dispositivos de almacenamiento de energía se evalúa mediante dos cifras principales, la densidad de energía y la densidad de potencia. Suponga que estamos usando el dispositivo para hacer funcionar un automóvil eléctrico:la densidad de energía nos dice qué tan lejos puede ir el automóvil con una sola carga, mientras que la densidad de potencia nos dice qué tan rápido puede ir el automóvil. Aquí, Los dispositivos fabricados con electrodos de grafeno grabado con láser (LSG) exhiben valores de densidad de energía ultraaltos en diferentes electrolitos mientras mantienen la alta densidad de potencia y la excelente estabilidad del ciclo de los EC. Es más, estos EC mantienen excelentes atributos electroquímicos bajo un alto estrés mecánico y, por lo tanto, son prometedores para alta potencia, electrónica flexible.

"Nuestro estudio demuestra que nuestros nuevos supercondensadores basados ​​en grafeno almacenan tanta carga como las baterías convencionales, pero se puede cargar y descargar de cien a mil veces más rápido, "dijo Richard B. Kaner, profesor de química y ciencia e ingeniería de materiales.

"Aquí, presentamos una estrategia para la producción de EC basados ​​en grafeno de alto rendimiento a través de un enfoque simple de estado sólido que evita el apilamiento de láminas de grafeno, "dijo Maher F. El-Kady, el autor principal del estudio y un estudiante de posgrado en el laboratorio de Kaner.

El equipo de investigación ha fabricado electrodos LSG que no tienen los problemas de los electrodos de carbón activado que hasta ahora han limitado el rendimiento de los EC comerciales. Primero, El láser LightScribe provoca la reducción y exfoliación simultáneas del óxido de grafito y produce una red abierta de LSG con una superficie sustancialmente mayor y más accesible. Esto da como resultado una capacidad de almacenamiento de carga considerable para los supercondensadores LSG. La estructura de red abierta de los electrodos ayuda a minimizar la ruta de difusión de los iones de electrolito, que es crucial para cargar el dispositivo. Esto puede explicarse por las láminas de grafeno planas de fácil acceso, mientras que la mayor parte de la superficie del carbón activado reside en poros muy pequeños que limitan la difusión de iones. Esto significa que los supercondensadores LSG tienen la capacidad de entregar una potencia ultra alta en un corto período de tiempo, mientras que el carbón activado no puede.

Adicionalmente, Los electrodos LSG son mecánicamente robustos y muestran una alta conductividad (> 1700 S / m) en comparación con los carbones activados (10-100 S / m). Esto significa que los electrodos LSG se pueden usar directamente como electrodos de supercondensador sin necesidad de aglutinantes o colectores de corriente, como es el caso de los EC de carbón activado convencionales. Es más, estas propiedades permiten que LSG actúe como material activo y colector de corriente en la CE. La combinación de ambas funciones en una sola capa conduce a una arquitectura simplificada y hace que los supercondensadores LSG sean dispositivos rentables.

Los EC disponibles comercialmente consisten en un separador intercalado entre dos electrodos con electrolito líquido que se enrolla en espiral y se empaqueta en un recipiente cilíndrico o se apila en una pila de botón. Desafortunadamente, Estas arquitecturas de dispositivos no solo sufren de posibles fugas dañinas de electrolitos, pero su diseño dificulta su uso para dispositivos electrónicos flexibles prácticos.

El equipo de investigación reemplazó el electrolito líquido con un electrolito gelificado de polímero que también actúa como separador. reduciendo aún más el grosor y peso del dispositivo y simplificando el proceso de fabricación, ya que no requiere materiales de embalaje especiales.

Para evaluar en condiciones reales el potencial de este LSG-EC de estado sólido para un almacenamiento flexible, el equipo de investigación colocó un dispositivo bajo tensión mecánica constante para analizar su rendimiento. Suficientemente interesante, esto casi no tuvo ningún efecto en el rendimiento del dispositivo.

"Atribuimos el alto rendimiento y durabilidad a la alta flexibilidad mecánica de los electrodos junto con la estructura de red interpenetrante entre los electrodos LSG y el electrolito gelificado, "explica Kaner." El electrolito se solidifica durante el montaje del dispositivo y actúa como un pegamento que mantiene unidos los componentes del dispositivo ".

El método mejora la integridad mecánica y aumenta el ciclo de vida del dispositivo incluso cuando se prueba en condiciones extremas.

Dado que este notable rendimiento aún no se ha realizado en dispositivos comerciales, estos supercondensadores LSG podrían abrir el camino hacia los sistemas de almacenamiento de energía ideales para la próxima generación flexible, electrónica portátil.