Investigadores desarrollan supercondensador de grafeno para dispositivos electrónicos portátiles

Los condensadores electroquímicos (EC), también conocidos como supercondensadores, difieren de los condensadores normales que se encuentran en su televisor o la computadora. Han llamado la atención como  dispositivos de almacenamiento de energía, ya que cargar y descargar es más rápido que las baterías, sin embargo, están todavía limitados por la densidad de energía que es baja, sólo una fracción de la densidad de energía de las baterías. Un condesador electrolítico que combina el rendimiento de energía de los condensadores con la alta densidad de energía de las baterías representaría un avance significativo en la tecnología de almacenamiento de energía. Esto requiere nuevos electrodos que no sólo mantengan una alta conductividad, sino también proporcione mayor área  superficial y más accesibles que los convencionales que utilizan CE activados por electrodos de carbono.

Ahora los investigadores de UCLA han utilizado  unidad óptica de DVD para producir dichos electrodos. Los electrodos se componen de una red ampliada de grafeno – una capa de un átomo de espesor de carbono grafítico – que muestra excelentes propiedades mecánicas y eléctricas, así como la superficie excepcionalmente alta.

Investigadores de la UCLA desde el Departamento de Química y Bioquímica, el Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería y el Instituto NanoSystems de California demuestran un alto rendimiento de los condensadores electroquímicos basados en el grafeno que mantienen excelentes atributos electroquímicos bajo tensión mecánica. El documento se publica en la revista Science.

El proceso se basa en el revestimiento de un disco DVD con una película de óxido de grafito que es entonces tratada con láser en el interior de una unidad de DVD LightScribe para producir electrodos de grafeno. Típicamente, el rendimiento de los dispositivos de almacenamiento de energía es evaluado por dos figuras principales, la densidad de energía y la densidad de potencia. Suponga que está utilizando el dispositivo para ejecutar un coche eléctrico – la densidad de energía nos dice hasta qué punto el coche puede ir con una sola carga, mientras que la densidad de potencia nos dice qué tan rápido puede ir el coche. Aquí, los dispositivos hechos con electrodos Laser Scribed Graphene (LSG) presentan  valores de ultra alta densidad de energía en diferentes electrolitos, manteniendo la alta densidad de potencia y estabilidad excelente ciclo de EC. Por otra parte, estos ECs mantienen excelentes atributos electroquímicos bajo tensión mecánica y por lo tanto mantienen la promesa de alta potencia en la electrónica flexible.

“Nuestro estudio demuestra que admiten más carga que las baterías convencionales, pero se puede cargar y descargar un cien a mil veces más rápido”, dijo Richard B. Kaner, profesor de química y ciencia de los materiales e ingeniería.

“A continuación, presentamos una estrategia para la producción EC de alto rendimiento basados en el grafeno, a  través de un simple enfoque de estado sólido que evita el reapilado de las hojas de grafeno”, dijo Maher F. El-Kady, el autor principal del estudio y un estudiante graduado en el laboratorio de Kaner.

El equipo de investigación ha fabricado  electrodos LSG que no tienen los problemas de los electrodos de carbono activado que hasta ahora han limitado el rendimiento de comercial de EC. En primer lugar, el láser LightScribe provoca la reducción simultánea y exfoliación del óxido de grafito y produce una red abierta de LSG con una superficie sustancialmente mayor y más accesible. Esto se traduce en una capacidad de almacenamiento de carga considerable para los supercondensadores LSG. La estructura de red abierta de los electrodos ayuda a minimizar la trayectoria de difusión de iones de electrólito, que es crucial para la carga del dispositivo. Esto puede explicarse por las hojas de grafeno fácilmente accesibles planas, mientras que la mayor parte del área superficial del carbono activado se encuentra en los poros muy pequeños que limitan la difusión de iones. Esto significa que los supercondensadores LSG tienen la capacidad de entregar energía ultraalta en un corto período de tiempo mientras que los del carbono activado no pueden.

Además, los electrodos LSG son mecánicamente robustos y muestran una alta conductividad (> 1700 S/m) en comparación con carbono activado (10-100 S/m). Esto significa que los electrodos LSG puede ser utilizados  directamente como electrodos supercondensadores sin la necesidad de aglutinantes o colectores de corriente como es el caso para el carbono activado convencional, ECS. Además, estas propiedades permiten a  los LSG actuar tanto como el material activo y la corriente de colector en el CE. La combinación de ambas funciones en una sola capa conduce a una arquitectura simplificada y hace de los LSG supercondensadores dispositivos rentables.

Comercialmente disponibles, los EC consisten en un separador colocado entre dos electrodos con electrolito líquido que o bien se enrolla en espiral o se envasa en un recipiente cilíndrico o apilados en una pila de botón. Por desgracia, estas arquitecturas de dispositivos no sólo sufren de una posible fuga nociva de electrolitos, pero su diseño hace que sea difícil usarlos para prácticas de electrónica flexible.

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

A fin de evaluar en condiciones reales el potencial de  LSG-CE para el almacenamiento flexible, el equipo de investigación colocó un dispositivo de bajo constante estrés mecánico para analizar su rendimiento. Curiosamente, esto tuvo un efecto casi nulo en el rendimiento del dispositivo.

“Atribuimos el alto rendimiento y durabilidad a la alta flexibilidad mecánica de los electrodos a lo largo de la estructura de la red de interpenetración entre los electrodos y el electrolito LSG gelificado”, explica Kaner. “El electrolito se solidifica en el conjunto del dispositivo y actúa como pegamento que mantiene a los componentes del dispositivo juntos”. El método mejora la integridad mecánica y aumenta el ciclo de vida del dispositivo, incluso cuando se ensaya en condiciones extremas.

Este notable desempeño aún no se ha realizado en los dispositivos comerciales, estos supercondensadores LSG podrían  abrir el camino a sistemas de almacenamiento ideales de energía para la próxima generación de electrónica flexible para  portátiles.

Fuente: EurekAlert!