El Instituto de Materiales Superconductores y Electrónicos (ISEM) de la UOW ha sido pionero con éxito en una forma de construir un Dispositivo de almacenamiento de energía plegable y liviano que proporciona los componentes básicos para las baterías de próxima generación necesarias para alimentar dispositivos electrónicos portátiles y dispositivos médicos implantables.

El enigma al que se han enfrentado los investigadores al desarrollar dispositivos de almacenamiento de energía en miniatura, como baterías y supercondensadores, ha estado averiguando cómo aumentar el área de superficie del dispositivo, para almacenar más carga, sin hacerlo más grande.

"Entre todos los dispositivos electrónicos modernos, los dispositivos electrónicos portátiles son algunos de los más emocionantes, Monirul Islam, estudiante de doctorado de ISEM, dijo:"Pero el mayor desafío es cargar el almacenamiento en un volumen pequeño, además de poder entregar ese cargo rápidamente a pedido".

Para resolver este problema, un equipo de estudiantes de doctorado, dirigido por el Dr. Konstantin Konstantinov bajo el patrocinio del director del ISEM, el profesor Shi Xue Dou y con el apoyo del profesor Hua Kun Liu, el jefe de la División de Almacenamiento de Energía de ISEM, han desarrollado una estructura tridimensional utilizando un autoensamblaje de paquete plano de tres componentes:grafeno, un polímero conductor y nanotubos de carbono, que son redes de carbono con forma de celosía del espesor de un átomo formadas en cilindros.

El llamado grafeno material maravilloso, hecho de capas de grafito de un solo átomo de espesor, era un candidato adecuado debido a su rendimiento electrónico y resistencia mecánica.

"Sabíamos en teoría que si puedes hacer una especie de esqueleto de carbono tienes una mayor área de superficie y una mayor área de superficie significa más carga, "Dijo el Dr. Konstantinov." Si pudiéramos separar de manera eficiente las capas de carbono, podríamos usar ambas superficies de cada capa para la acumulación de carga. El problema al que nos enfrentamos fue que, en la práctica, la fabricación de estas formas 3D, no solo teoría, es un desafío, si no es una tarea imposible ".

La solución fue empaquetar los componentes construyendo la forma 3D capa por capa, muy parecido a un ejercicio en miniatura en la decoración de pasteles. El grafeno en forma líquida se mezcló con el polímero conductor y se redujo a sólido y los nanotubos de carbono se insertaron cuidadosamente entre las capas de grafeno para formar un paquete plano autoensamblado. material supercondensador fino como una oblea.

"El verdadero desafío fue cómo ensamblar estos tres componentes en una sola estructura con el mejor uso del espacio disponible, "El estudiante de doctorado Monirul Islam dijo." Obtener las proporciones o proporciones de los componentes de manera adecuada para obtener un material compuesto con el máximo rendimiento de almacenamiento de energía fue otro desafío ".

Las proporciones incorrectas de cualquiera de los ingredientes dan como resultado un desorden o una forma 3D que no es lo suficientemente fuerte como para retener la flexibilidad necesaria, así como la capacidad de almacenamiento de carga. También hay elegancia en la simplicidad del diseño del equipo:los investigadores dispersaron los componentes en cristal líquido, lo que permitió interacciones químicas naturales para evitar que las capas de grafeno se agruparan.

El resultado fue una forma 3D con, gracias a los nanotubos de carbono, una superficie masiva, Excelente capacidad de carga que además es plegable. También se puede fabricar de forma económica y sencilla sin necesidad de costosas cámaras de vacío o equipos sofisticados.

"Nuestro basado en grafeno, el compuesto flexible es altamente conductivo, ligero, es capaz de plegarse como un rollo o apilarse como un papel en dispositivos electrónicos para almacenar una gran cantidad de carga, ", Dijo Monirul." Este material puede almacenar carga en un segundo y entregar la carga a una velocidad ultrarrápida y será más liviano que las baterías tradicionales utilizadas en la electrónica actual ".

El estudio ISEM ha sido financiado por Automotive Australia 2020 CRC como parte de su investigación sobre vehículos eléctricos. ISEM es el líder del programa de electrificación y juega un papel crucial en el diseño de vehículos eléctricos de próxima generación. Una clave para desbloquear la capacidad del vehículo eléctrico es un paquete de baterías ligero y potente.

"Nuestro método de fabricación simple de materiales ecológicos con mayor rendimiento tiene un gran potencial para ser ampliado para el uso de supercondensadores y tecnología de baterías. Nuestro siguiente paso es utilizar este material para fabricar supercondensadores portátiles flexibles con alta densidad de potencia y densidad de energía, así como supercondensadores a gran escala para vehículos eléctricos ".

La investigación fue publicada recientemente en la revista Ciencia Central ACS .