Los científicos de la UC Santa Cruz y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han informado del primer ejemplo de electrodos supercondensadores de grafeno ultrarrápidos impresos en 3D que superan a los electrodos comparables fabricados mediante métodos tradicionales. Sus resultados abren la puerta a la novela, diseños sin restricciones de sistemas de almacenamiento de energía altamente eficientes para teléfonos inteligentes, usables, dispositivos implantables, coches eléctricos y sensores inalámbricos.

Mediante un proceso de impresión 3D llamado escritura con tinta directa y una tinta compuesta de óxido de grafeno, el equipo pudo imprimir electrodos con microarquitectura y construir supercondensadores con excelentes características de rendimiento. Los resultados fueron publicados en línea el 20 de enero en la revista Nano letras y aparecerá en la portada de la edición de marzo de la revista.

"Los dispositivos supercondensadores que utilizan nuestros electrodos de grafeno impresos en 3D con espesores del orden de milímetros exhiben una excelente retención de capacitancia y densidades de potencia, "dijo el autor correspondiente Yat Li, profesor asociado de química en UC Santa Cruz. "Este rendimiento supera con creces el rendimiento de los dispositivos convencionales con electrodos gruesos, e iguala o excede el rendimiento de los dispositivos reportados fabricados con electrodos de 10 a 100 veces más delgados ".

El ingeniero de LLNL Cheng Zhu y el estudiante graduado de UCSC Tianyu Liu son los autores principales del artículo. "Esto rompe las limitaciones de lo que puede hacer la fabricación 2D, ", Dijo Zhu." Podemos fabricar una amplia gama de arquitecturas 3D. En un teléfono por ejemplo, solo necesitaría dejar un área pequeña para el almacenamiento de energía. La geometría puede ser muy compleja ".

Carga rapida

Los supercondensadores también pueden cargarse increíblemente rápido, Zhu dijo:en teoría, requiere solo unos minutos o segundos para alcanzar su capacidad máxima. En el futuro, Los investigadores creen que los supercondensadores impresos en 3D de nuevo diseño se utilizarán para crear componentes electrónicos únicos que actualmente son difíciles o incluso imposibles de fabricar con otros métodos sintéticos. incluidos teléfonos inteligentes totalmente personalizados y dispositivos en papel o plegables, al mismo tiempo que alcanza niveles de rendimiento sin precedentes.

Según Li, varios avances clave hicieron posible estos nuevos dispositivos, comenzando con el desarrollo de una tinta imprimible basada en grafeno. La modificación del esquema de impresión 3D para que sea compatible con el procesamiento de aerogel hizo posible mantener las importantes propiedades mecánicas y eléctricas de las hojas de grafeno individuales en las estructuras impresas en 3D. Finalmente, el uso de la impresión 3D para diseñar de forma inteligente macroporos periódicos en el electrodo de grafeno mejora significativamente el transporte de masa, permitiendo que el dispositivo admita tasas de carga / descarga mucho más rápidas sin degradar su capacidad.

"Este trabajo proporciona un ejemplo de cómo los materiales impresos en 3D, como los aerogeles de grafeno, pueden expandir significativamente el espacio de diseño para fabricar dispositivos de almacenamiento de energía de alto rendimiento y totalmente integrables optimizados para una amplia gama de aplicaciones, "Dijo Li.

Las ventajas de las tintas a base de grafeno incluyen su área de superficie ultra alta, propiedades ligeras, elasticidad, y conductividad eléctrica superior. Los supercondensadores de aerogel compuestos de grafeno también son extremadamente estables, los investigadores informaron, capaz de retener casi por completo su capacidad energética después de 10, 000 ciclos consecutivos de carga y descarga.

"El grafeno es un material realmente increíble porque es esencialmente una sola capa atómica que se puede crear a partir de grafito. Debido a su estructura y disposición cristalina, tiene capacidades realmente fenomenales, ", dijo el ingeniero de materiales de LLNL, Eric Duoss.

Durante el próximo año, los investigadores tienen la intención de expandir la tecnología mediante el desarrollo de nuevos diseños en 3D, usando diferentes tintas, y mejorar el rendimiento de los materiales existentes.