Det fanns en tid under den tidiga utvecklingen av bärbar elektronik när det största hindret att övervinna var att göra enheten tillräckligt liten för att anses bärbar. Efter uppfinningen av mikroprocessorn i början av 1970-talet, miniatyr, Bärbar elektronik har blivit vardag och ända sedan nästa utmaning har varit att hitta en lika liten och pålitlig strömkälla. Kemiska batterier lagrar mycket energi men kräver lång tid för att energin ska laddas och laddas ur och har en begränsad livslängd. Kondensatorer laddas snabbt men kan inte lagra tillräckligt med laddning för att fungera tillräckligt länge för att vara praktiskt. En möjlig lösning är något som kallas en solid-state micro-supercapacitor (MSC). Superkondensatorer är beväpnade med kraften från ett batteri och kan också upprätthålla den kraften under en längre tid. Forskare har försökt skapa MSC:er i det förflutna med olika hybrider av metaller och polymerer, men ingen var lämplig för praktisk användning. I nyare försök med grafen och kolnanorör för att göra MSC, resultaten var på samma sätt svaga.
Ett internationellt team av forskare under ledning av Young Hee Lee, inklusive forskare från Center for Integrated Nanostructure Physics vid Institutet för grundläggande vetenskap (IBS) och Institutionen för energivetenskap vid Sungkyunkwan University i Sydkorea, har tagit fram en ny teknik för att skapa en MSC som inte har bristerna från tidigare försök utan istället ger hög elektrokemisk prestanda.
När man designar något nytt och komplext, ibland är den bästa inspirationen en som redan finns i naturen. Teamet modellerade sin MSC-filmstruktur på naturliga ventexturerade löv för att dra fördel av de naturliga transportvägarna som möjliggör effektiv jondiiffusion parallellt med grafenplanen som finns inom dem.
För att skapa denna final, effektiv form, teamet skiktade en grafen-hybridfilm med nanotrådar av kopparhydroxid. Efter många omväxlande lager uppnådde de önskad tjocklek, och tillsatte en sur lösning för att lösa upp nanotrådarna så att en tunn film med nano-avtryck var allt som återstod.
För att tillverka MSC:erna applicerades filmen på ett plastskikt med tunna, ~5μm långa parallella guldremsor placerade ovanpå. Allt som inte täcktes av guldremsorna etsades bort kemiskt så att endast guldremsorna ovanpå ett lager film fanns kvar. Guldkontaktdynor vinkelrätt mot guldremsorna tillsattes och en ledande gel fylldes i de återstående utrymmena och fick stelna. När den väl har tagits bort från plastskiktet, de färdiga MSC:erna liknar genomskinlig tejp med guldkablar på motsatta sidor.
Teamet producerade fantastiska testresultat. Förutom sin överlägsna energitäthet, filmen är mycket flexibel och ökar faktiskt kapacitansen efter första användningen. Den volymetriska energitätheten var 10 gånger högre än för närvarande tillgängliga kommersiella superkondensatorer och även vida överlägsen någon annan ny forskning. MSC:erna visar elektriska egenskaper som är ungefär fem storleksordningar högre än liknande litiumbatterier och är jämförbara med befintliga, större superkondensatorer. Enligt Lee, "Så vitt vi vet, den volymetriska energitätheten och den maximala volymetriska effekttätheten i vårt arbete är de högsta värdena bland alla kolbaserade solid-state MSCs som rapporterats hittills."
I framtiden, konsumenter kommer sannolikt att driva sina enheter med MSC:er istället för batterier. Applikationer för ljus, pålitlig energilagring kombinerat med lång livslängd och snabb laddning/urladdningstid. Teamets MSC:er skulle kunna bäddas in i ett elektroniskt kretschip som strömkällor för praktiska tillämpningar som implanterbar medicinsk utrustning, aktiva radiofrekvensidentifieringsetiketter, och mikrorobotar. Om ingenjörer använder materialets otroliga flexibilitet, dessa MSC:er kan användas i bärbara, töjbar, och även bärbara elektroniska enheter.
