(Phys.org) - Si bien 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 de reducción:unidades de almacenamiento de energía, como baterías y condensadores.

Ahora, Richard Kaner, miembro del California NanoSystems Institute de UCLA y profesor de química y bioquímica, y Maher El-Kady, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Kaner, puede haber cambiado el juego.

Los investigadores de UCLA han desarrollado una técnica innovadora que utiliza una grabadora de DVD para fabricar supercondensadores basados ​​en grafeno a microescala, dispositivos que pueden cargarse y descargarse de cien a mil veces más rápido que las baterías estándar. Estos micro-supercondensadores, hecho de una capa de carbono grafítico de un átomo de espesor, se puede fabricar e integrar fácilmente en dispositivos pequeños como marcapasos de última generación.

El nuevo método de fabricación rentable, descrito en un estudio publicado esta semana en la revista Comunicaciones de la naturaleza , promete la producción en masa de estos supercondensadores, que tienen el potencial de transformar la electrónica y otros campos.

"La integración de unidades de almacenamiento de energía con circuitos electrónicos es un desafío y, a menudo, limita la miniaturización de todo el sistema, "dijo Kaner, quien también es profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Henry Samueli de UCLA. "Esto se debe a que los componentes necesarios para el almacenamiento de energía se reducen poco 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 intensivas en mano de obra que han demostrado ser difíciles para construir dispositivos rentables, limitando así su aplicación comercial, "El-Kady dijo." En cambio, Utilizamos una grabadora de DVD LightScribe de calidad para el consumidor para producir micro-supercondensadores de grafeno en grandes áreas a una fracción del costo de los dispositivos tradicionales. Usando esta técnica, hemos podido producir más de 100 micro-supercondensadores en un solo disco en menos de 30 minutos, utilizando materiales económicos ".

El proceso de miniaturización a menudo se basa en tecnología de aplanamiento, haciendo que los dispositivos sean más delgados y más parecidos a un plano geométrico que tiene solo dos dimensiones. Al desarrollar su nuevo micro-supercondensador, Kaner y El-Kady utilizaron una hoja bidimensional de carbono, conocido como grafeno, que solo tiene el grosor de un solo átomo en la tercera dimensión.

Kaner y El-Kady discuten la tecnología detrás de sus micro-supercondensadores (diciembre de 2012):

Kaner y El-Kady aprovecharon un nuevo diseño estructural durante la fabricación. Para que cualquier supercondensador sea eficaz, Se deben colocar dos electrodos separados de modo que se maximice el área de superficie disponible entre ellos. Esto permite que el supercondensador almacene una carga mayor. Un diseño anterior apilaba las capas de grafeno que servían como electrodos, como las rebanadas de pan en un sándwich. Si bien este diseño era funcional, sin embargo, no era compatible con circuitos integrados.

En su nuevo diseño, los investigadores colocaron los electrodos uno al lado del otro utilizando un patrón interdigitado, similar a dedos entrelazados. Esto ayudó a maximizar el área de superficie accesible disponible para cada uno de los dos electrodos, mientras que también redujo la ruta sobre la cual los iones en el electrolito necesitarían difundirse. Como resultado, los nuevos supercondensadores tienen más capacidad de carga y capacidad de velocidad que sus contrapartes apiladas.

Curiosamente, los investigadores encontraron que al colocar más electrodos por unidad de área, aumentaron la capacidad del micro-supercondensador para almacenar aún más carga.

Kaner y El-Kady pudieron fabricar estos intrincados supercondensadores utilizando una técnica asequible y escalable que habían desarrollado anteriormente. Pegaron una capa de plástico en la superficie de un DVD y luego cubrieron el plástico con una capa de óxido de grafito. Luego, simplemente insertaron el disco recubierto en una unidad óptica LightScribe disponible en el mercado, tradicionalmente utilizada para etiquetar DVD, y aprovecharon el propio láser de la unidad para crear el patrón interdigitado. El trazado con láser es tan preciso que ninguno de los "dedos entrelazados" se toca entre sí, lo que provocaría un cortocircuito en el supercondensador.

"Para etiquetar discos con LightScribe, la superficie del disco está recubierta con un tinte reactivo que cambia de color al exponerse a la luz láser. En lugar de imprimir en este recubrimiento especializado, nuestro enfoque es recubrir el disco con una película de óxido de grafito, que luego se puede imprimir directamente, ", Dijo Kaner." Anteriormente encontramos un efecto fototérmico inusual en el que el óxido de grafito absorbe la luz del láser y se convierte en grafeno de una manera similar al proceso comercial LightScribe. Con la precisión del láser, la unidad procesa el patrón diseñado por computadora en la película de óxido de grafito para producir los circuitos de grafeno deseados ".

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

Los nuevos micro-supercondensadores también son altamente flexibles y giratorios, haciéndolos potencialmente útiles como dispositivos de almacenamiento de energía en dispositivos electrónicos flexibles como pantallas enrollables y televisores, e-paper, e incluso dispositivos electrónicos portátiles.

Los investigadores demostraron la utilidad de su nuevo micro-supercondensador de grafeno grabado con láser en una forma totalmente sólida. lo que permitiría que cualquier dispositivo nuevo que los incorpore tuviera una forma más fácil y flexible. Los micro-supercondensadores también se pueden fabricar directamente en un chip utilizando la misma técnica, haciéndolos muy útiles para la integración en sistemas microelectromecánicos (MEMS) o semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS).

Estos micro-supercondensadores muestran una excelente estabilidad cíclica, una ventaja importante sobre las microbaterías, que tienen una vida útil más corta y que podrían representar un problema importante cuando se incrustan en estructuras permanentes, como los implantes biomédicos, Etiquetas activas de identificación por radiofrecuencia y microsensores integrados, para los cuales no es posible mantenimiento ni reemplazo.

Como se pueden integrar directamente en el chip, Estos micro-supercondensadores pueden ayudar a extraer mejor la energía de la energía solar, fuentes mecánicas y térmicas y así hacer sistemas autoamplificados más eficientes. También podrían fabricarse en la parte posterior de las células solares en dispositivos portátiles y en instalaciones en la azotea para almacenar la energía generada durante el día para usar después de la puesta del sol. ayudando a proporcionar electricidad las 24 horas del día cuando no es posible la conexión a la red.

"Ahora estamos buscando socios de la industria que nos ayuden a producir en masa nuestros micro-supercondensadores de grafeno, "Dijo Kaner.