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Los microsupercondensadores (MSC) con una alta densidad de energía y una vida útil casi ilimitada se pueden integrar en componentes eléctricos como fuentes de corriente. Sin embargo, la menor capacitancia por unidad de volumen y la menor densidad de potencia de los supercondensadores de carbono de doble capa ordinarios limitan severamente su uso práctico.
Estudio: Fabricación escalable de un microsupercondensador flexible basado en MXene con excelente capacitancia volumétrica. Crédito: Hatcha/Shutterstock.com
Un artículo de prueba previa de Chemical Engineering Journal aborda este problema al proporcionar un método sencillo y confiable para la producción escalable y ecológica de microsupercondensadores flexibles y en chip con aplicaciones potenciales en optoelectrónica extensible, versátil y miniaturizada.
Microsupercondensadores flexibles: descripción general e importancia
Con el rápido crecimiento de las telecomunicaciones 5G y 6G y el Internet de las cosas (IoT), la necesidad de dispositivos móviles y pequeños, como circuitos electromecánicos, microsensores y microrobots, ha aumentado significativamente.
Por lo tanto, existe una demanda de sistemas de almacenamiento de energía electroquímicos a escala nanométrica altamente eficientes que puedan combinarse con dicha electrónica para hacer que los dispositivos sean autosuficientes y autoalimentados.
Los microsupercondensadores (MSC) flexibles han despertado mucho interés recientemente debido a su posible uso como fuentes de alimentación primarias para la electrónica a nanoescala. Los microsupercondensadores flexibles ofrecen varias ventajas, que incluyen bajo mantenimiento, larga vida útil, ciclos de carga y descarga rápidos y alta densidad de energía.
Las microbaterías tradicionales tienen una vida útil más corta (entre 500 y 10 000 ciclos) y una menor densidad de potencia. Además, sus características de potencia volumétrica disminuyen significativamente a medida que disminuye su tamaño. Por lo tanto, los microsupercondensadores flexibles son una alternativa interesante a las microbaterías convencionales en el campo del almacenamiento de energía electrolítica.
MXene como bloques de construcción para microsupercondensadores flexibles
Los materiales bidimensionales (2D) como MXene son especialmente prometedores para la fabricación de microsupercondensadores flexibles. Debido a su estructura en capas, alta conductividad eléctrica, gran área de superficie efectiva y alta humectabilidad, los MXenes se han investigado ampliamente para una variedad de aplicaciones en una variedad de industrias.
Su alta conductividad eléctrica puede aumentar la velocidad de disolución de los iones electrolíticos al acelerar la absorción y disociación de las cargas. Además, la alta interacción electrolítica de MXenes es beneficiosa para las reacciones electroquímicas rápidas y reversibles en dispositivos de almacenamiento electrocatalítico.
Por lo tanto, el uso de MXene como solución de electrodo de trabajo para microsupercondensadores flexibles tiene ventajas significativas sobre otros materiales 2D.
Desafíos relacionados con la fabricación escalable de MSC
Los electrodos interdigitados MXene para microsupercondensadores flexibles se han fabricado en varios sustratos utilizando una variedad de técnicas eficientes. En estudios anteriores, se establecieron técnicas como el enmascaramiento por filtración, el enmascaramiento por pulverización y el trazado con láser para aumentar la eficacia electrolítica de los dispositivos.
Sin embargo, estos procesos requieren mucho tiempo y no son escalables, lo que limita su utilidad potencial en la fabricación de microsupercondensadores flexibles basados en MXene.
Recientemente, se han desarrollado tecnologías escalables, como el mapeo de inyección de tinta, la inmersión por aspersión y la serigrafía, para depositar el patrón requerido de conexiones de electrodos en la superficie de microsupercondensadores flexibles. Sin embargo, debido a las propiedades reológicas de las sustancias de impresión, se deben aplicar aditivos conductores para preservar la estructura impresa.
Además, la baja capacitancia y la baja densidad de energía resultantes de la enorme huella del electrodo de trabajo representan un obstáculo importante para la implementación generalizada de estas tecnologías.
Aspectos destacados del estudio actual
En este artículo, los investigadores proporcionan un método de producción simple y escalable para fabricar microsupercondensadores flexibles utilizando una técnica de microfabricación basada en fotolitografía y tratamiento con solventes.
En primer lugar, los microsupercondensadores se trasladaron de una superficie rígida a un sustrato de poliimida flexible (PI) mediante el proceso de «grabado selectivo». Luego, se fabricaron MXenes 3D enlazados por nanoporos mediante la creación de nanoporos en películas MXene en un entorno de reducción de 900 °C.
Las fuertes interacciones de van der Waals entre nanoláminas vecinas en materiales 2D como MXenes dan como resultado una auto-reorganización. La autorreorganización fuerte reduce la disponibilidad de iones de electrolitos y afecta negativamente a las propiedades electroquímicas básicas, como la estabilidad del ciclo.
Por lo tanto, los investigadores utilizaron nanotubos de carbono (CNT) como espaciadores 1D para hibridar con MXenes para reducir la autorreorganización y aumentar el rendimiento electroquímico de los microsupercondensadores flexibles.
Resultados importantes de la investigación.
Los investigadores descubrieron que los nanoporos en las películas de MXene acoplados a nanopartículas entre las capas de MXene mejoran significativamente el transporte de iones en los electrodos reticulados 3D. Los microsupercondensadores flexibles basados en MXenes demostraron una alta capacitancia inicial, una retención de velocidad excelente y una densidad de potencia extremadamente alta.
La producción escalable de microsupercondensadores flexibles se demostró en un área grande con 107 chips en una oblea de 8 pulgadas. Estos resultados indican que los microsupercondensadores flexibles basados en MXene desarrollados en este estudio son materiales de almacenamiento de energía prometedores para aplicaciones en microelectrónica miniaturizada de próxima generación.
Relación
Kim, E. et al. (2022). Fabricación escalable de un microsupercondensador flexible basado en MXene con excelente capacitancia volumétrica. Revista de ingeniería de procesos. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138456
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