Rice University forskare avancerade sin senaste utveckling av laserinducerad grafen (LIG) genom att producera och testa staplade, tredimensionella superkondensatorer, energilagringsenheter som är viktiga för bärbara, flexibel elektronik.

Kemisten James Tours rislab upptäckte förra året att avfyring av en laser mot en billig polymer brände bort andra element och lämnade en film av porös grafen, det mycket studerade atomtjocka gittret av kol. Forskarna såg de porösa, ledande material som en perfekt elektrod för superkondensatorer eller elektroniska kretsar.

För att bevisa det, medlemmar i Tour-gruppen har sedan utökat sitt arbete med att göra vertikalt anpassade superkondensatorer med laserinducerad grafen på båda sidor av ett polymerark. Sektionerna staplas sedan med fasta elektrolyter emellan för en flerskiktssandwich med flera mikrosuperkondensatorer.

De flexibla stackarna visar utmärkt energilagringskapacitet och kraftpotential och kan skalas upp för kommersiella applikationer. LIG kan tillverkas i luft vid omgivningstemperatur, kanske i industriella mängder genom roll-to-roll processer, sa Tour.

Forskningen rapporterades denna vecka i Tillämpade material och gränssnitt .

Kondensatorer använder en elektrostatisk laddning för att lagra energi som de snabbt kan släppa ut, till en kamerablixt, till exempel. Till skillnad från kemikaliebaserade uppladdningsbara batterier, kondensatorer laddas snabbt och frigör all sin energi på en gång när de utlöses. Men kemiska batterier rymmer mycket mer energi. Superkondensatorer kombinerar användbara egenskaper hos båda - snabb laddning/urladdning av kondensatorer och högenergikapacitet hos batterier - i ett paket.

LIG superkondensatorer verkar kunna göra allt detta med de extra fördelarna av flexibilitet och skalbarhet. Flexibiliteten säkerställer att de lätt kan anpassa sig till olika förpackningar - de kan rullas i en cylinder, till exempel - utan att ge upp någon av enhetens prestanda.

"Det vi har gjort är jämförbart med mikrosuperkondensatorer som kommersialiseras nu, men vår förmåga att placera enheter i en 3D-konfiguration gör att vi kan packa många av dem på ett mycket litet område, "Tour sa." Vi staplar dem helt enkelt.

"Den andra nyckeln är att vi gör det här helt enkelt. Ingenting om processen kräver ett rent rum. Det görs på ett kommersiellt lasersystem, som finns i rutinmässiga maskinverkstäder, i det fria."

krusningar, rynkor och sub-10 nanometer porer i ytan och atomära imperfektioner ger LIG dess förmåga att lagra mycket energi. Men grafenen behåller sin förmåga att flytta elektroner snabbt och ger den snabba laddnings- och släppegenskaper hos en superkondensator. Vid testning, forskarna laddade och laddade ur enheterna i tusentals cykler med nästan ingen förlust av kapacitans.

För att visa hur bra deras superkondensatorer skala upp för applikationer, forskarna kopplade par av varje sort av enheter i serie och parallellt. Som förväntat, de fann att de seriella enheterna levererade dubbel arbetsspänning, medan parallellerna fördubblade urladdningstiden vid samma strömtäthet.

De vertikala superkondensatorerna visade nästan ingen förändring i elektrisk prestanda när de böjdes, även efter 8, 000 böjcykler.

Tour sa att medan tunnfilmslitiumjonbatterier kan lagra mer energi, LIG-superkondensatorer av samma storlek ger tre gånger högre prestanda i kraft (hastigheten med vilken energi flödar). Och LIG-enheterna kan enkelt skalas upp för ökad kapacitet.

"Vi har visat att dessa kommer att bli utmärkta komponenter i den flexibla elektroniken som snart kommer att bäddas in i kläder och konsumentvaror, " han sa.