(Phys.org)—Medan efterfrågan på allt mindre elektroniska enheter har stimulerat miniatyriseringen av en mängd olika teknologier, ett område har släpat efter i denna nedskärningsrevolution:energilagringsenheter, som batterier och kondensatorer.

Nu, Richard Kaner, en medlem av California NanoSystems Institute vid UCLA och en professor i kemi och biokemi, och Maher El-Kady, en doktorand i Kaners laboratorium, kan ha ändrat spelet.

UCLA-forskarna har utvecklat en banbrytande teknik som använder en DVD-brännare för att tillverka grafenbaserade superkondensatorer i mikroskala – enheter som kan laddas och laddas ur hundra till tusen gånger snabbare än standardbatterier. Dessa mikrosuperkondensatorer, gjord av ett enatoms tjockt lager av grafitkol, kan enkelt tillverkas och enkelt integreras i små enheter som nästa generations pacemakers.

Den nya kostnadseffektiva tillverkningsmetoden, beskrivs i en studie som publicerades denna vecka i tidskriften Naturkommunikation , lovar massproduktion av dessa superkondensatorer, som har potential att transformera elektronik och andra områden.

"Integrationen av energilagringsenheter med elektroniska kretsar är utmanande och begränsar ofta miniatyriseringen av hela systemet, sade Kaner, som också är professor i materialvetenskap och teknik vid UCLA:s Henry Samueli School of Engineering and Applied Science. "Detta beror på att de nödvändiga energilagringskomponenterna minskar dåligt i storlek och inte är väl lämpade för de plana geometrierna i de flesta integrerade tillverkningsprocesser."

"Traditionella metoder för tillverkning av mikrosuperkondensatorer involverar arbetsintensiva litografiska tekniker som har visat sig vara svåra för att bygga kostnadseffektiva enheter, vilket begränsar deras kommersiella tillämpning, " sa El-Kady. "Istället, vi använde en LightScribe DVD-brännare av konsumentklass för att producera grafenmikro-superkondensatorer över stora ytor till en bråkdel av kostnaden för traditionella enheter. Genom att använda denna teknik, vi har kunnat producera mer än 100 mikrosuperkondensatorer på en enda skiva på mindre än 30 minuter, använda billiga material."

Miniatyriseringsprocessen bygger ofta på utplattande teknik, gör enheter tunnare och mer som ett geometriskt plan som bara har två dimensioner. Vid utvecklingen av sin nya mikrosuperkondensator, Kaner och El-Kady använde ett tvådimensionellt ark av kol, känd som grafen, som bara har tjockleken av en enda atom i den tredje dimensionen.

Kaner och El-Kady diskuterar tekniken bakom deras mikrosuperkondensatorer (december 2012):

Kaner och El-Kady drog fördel av en ny strukturell design under tillverkningen. För att en superkondensator ska vara effektiv, två åtskilda elektroder måste placeras så att den tillgängliga ytan mellan dem maximeras. Detta gör att superkondensatorn kan lagra en större laddning. En tidigare design staplade lagren av grafen som fungerade som elektroder, som brödskivorna på en smörgås. Även om denna design var funktionell, dock, den var inte kompatibel med integrerade kretsar.

I sin nya design, forskarna placerade elektroderna sida vid sida med hjälp av ett interdigiterat mönster, liknar sammanvävda fingrar. Detta bidrog till att maximera den tillgängliga ytarean som var tillgänglig för var och en av de två elektroderna samtidigt som den minskade vägen över vilken joner i elektrolyten skulle behöva diffundera. Som ett resultat, de nya superkondensatorerna har mer laddningskapacitet och hastighetskapacitet än sina staplade motsvarigheter.

Intressant, forskarna fann att genom att placera fler elektroder per ytenhet, de ökade mikrosuperkondensatorns förmåga att lagra ännu mer laddning.

Kaner och El-Kady kunde tillverka dessa intrikata superkondensatorer med en prisvärd och skalbar teknik som de hade utvecklat tidigare. De limmade ett lager plast på ytan av en DVD och belade sedan plasten med ett lager grafitoxid. Sedan, de satte helt enkelt in den belagda skivan i en kommersiellt tillgänglig LightScribe optisk enhet – som traditionellt används för att märka DVD-skivor – och utnyttjade enhetens egen laser för att skapa det interdigiterade mönstret. Laserritningen är så exakt att ingen av de "sammanvävda fingrarna" rör vid varandra, vilket skulle kortsluta superkondensatorn.

"För att märka skivor med LightScribe, ytan på skivan är belagd med ett reaktivt färgämne som ändrar färg vid exponering för laserljus. Istället för att skriva ut på denna specialiserade beläggning, vårt tillvägagångssätt är att belägga skivan med en film av grafitoxid, som sedan kan tryckas direkt på, ", sa Kaner. "Vi hittade tidigare en ovanlig fototermisk effekt där grafitoxid absorberar laserljuset och omvandlas till grafen på ett liknande sätt som den kommersiella LightScribe-processen. Med laserns precision, enheten återger det datordesignade mönstret på grafitoxidfilmen för att producera de önskade grafenkretsarna."

"Processen är enkel, kostnadseffektiv och kan göras hemma, " sa El-Kady. "Man behöver bara en DVD-brännare och grafitoxiddispersion i vatten, som är kommersiellt tillgänglig till en måttlig kostnad."

De nya mikrosuperkondensatorerna är också mycket böjbara och vridbara, vilket gör dem potentiellt användbara som energilagringsenheter i flexibel elektronik som roll-up-skärmar och TV-apparater, e-tidning, och även bärbar elektronik.

Forskarna visade användbarheten av deras nya laserskrivna grafenmikro-superkondensator i en helt fast form, vilket skulle göra det möjligt för alla nya enheter som innehåller dem att vara lättare att forma och flexibla. Mikrosuperkondensatorerna kan också tillverkas direkt på ett chip med samma teknik, vilket gör dem mycket användbara för integration i mikroelektromekaniska system (MEMS) eller komplementära metalloxid-halvledare (CMOS).

Dessa mikrosuperkondensatorer visar utmärkt cykelstabilitet, en viktig fördel jämfört med mikrobatterier, som har kortare livslängder och som kan utgöra ett stort problem när de är inbäddade i permanenta strukturer – som biomedicinska implantat, aktiva radiofrekvensidentifieringstaggar och inbyggda mikrosensorer – för vilka inget underhåll eller utbyte är möjligt.

Eftersom de kan integreras direkt på chipet, dessa mikrosuperkondensatorer kan hjälpa till att bättre utvinna energi från solenergi, mekaniska och termiska källor och därmed göra effektivare självförsörjande system. De kan också tillverkas på baksidan av solceller i både bärbara enheter och takinstallationer för att lagra energi som genereras under dagen för användning efter solnedgången, hjälpa till att tillhandahålla el dygnet runt när anslutning till nätet inte är möjlig.

"Vi letar nu efter industripartners för att hjälpa oss att massproducera våra grafenmikro-superkondensatorer, " sa Kaner.