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(Foco Nanowerk) La proliferación de dispositivos portátiles (desde relojes inteligentes hasta gafas AR) requiere soluciones de energía a bordo cada vez más pequeñas que puedan entregar ráfagas de energía sin ser molestadas. Las baterías rígidas de tipo botón limitan la flexibilidad y la ergonomía del dispositivo. Las principales alternativas a microescala incluyen microsupercondensadores (MSC), que almacenan y descargan energía rápidamente gracias a materiales de electrodos altamente porosos en contacto con electrolitos.
La capacidad de carga rápida y la resistencia a ciclos de carga repetidos hacen de los supercondensadores una adición atractiva a las baterías. Sin embargo, debido a las dificultades para producir dispositivos MSC de diseño complejo que proporcionen simultáneamente un alto rendimiento, los MSC se limitan al laboratorio. Las técnicas de fabricación convencionales carecen de precisión, flexibilidad y escalabilidad suficientes.
Ahora, investigadores en China están demostrando un proceso de impresión 3D innovador y sin aditivos para producir sofisticadas MSC de grafeno con métricas electroquímicas sin precedentes y una integrabilidad perfecta. El avance supera las limitaciones de fabricación predominantes y se acerca a las matrices MSC en chip esenciales para la próxima ola de dispositivos portátiles innovadores.
Los resultados fueron publicados en Materiales avanzados (“Tintas sin aditivos de grafeno exfoliadas electroquímicamente para la impresión 3D a gran escala de microsupercondensadores integrados monolíticos personalizables”).
![texto](https://www.nanowerk.com/spotlight/id64721_1.jpg)
El grafeno sirve como material ideal para electrodos MSC con sus notables propiedades físicas y su gran superficie. Sin embargo, ha resultado difícil dispersar el grafeno puro en tintas imprimibles. Los investigadores suelen confiar en estrategias de óxido de grafeno y añaden varios productos químicos que inhiben el rendimiento para controlar la reología de la tinta. La posterior necesidad de reducción química después de la impresión añade aún más complejidad.
La nueva investigación demuestra por primera vez una tinta de grafeno sin aditivos con una capacidad de impresión excepcional, que permite la impresión 3D de arquitecturas complejas de electrodos MSC sin congelación ni posprocesamiento. La clave del avance fue una técnica de pelado electroquímico que proporciona láminas de grafeno de alta calidad con pocas capas y una mejor exposición del plano de los bordes. Estas nanohojas de grafeno podrían dispersarse en una solución simple de glicerina y agua para crear una tinta de viscosidad media específicamente adecuada para la impresión 3D basada en extrusión.
La impresión con la nueva tinta permitió la construcción de MSC con un tamaño extremadamente pequeño de hasta 0,025 cm.2. Los electrodos de grafeno puro ofrecieron un rendimiento electroquímico excepcional, incluida una notable capacitancia de área de 4900 mF·cm−2 y una capacidad volumétrica de 195,6 F cm−3 – supera a la mayoría de los demás MSC impresos.
Una arquitectura MSC optimizada, impresa con 10 capas, logró una densidad de energía área sin precedentes de 2,1 mWh·cm−2 y densidad de energía volumétrica de 22 mWh cm−3. Las pruebas mostraron una excelente estabilidad de los ciclos con una retención de capacidad del 83 % después de 10 000 ciclos.
La escalabilidad de la fabricación se demostró imprimiendo en 3D una matriz MSC con 90 celdas estrechamente integradas dentro de un área de 5,625 cm2 Área. La fuerte uniformidad de energía entre las celdas permitió la integración en pilas de alto voltaje por encima de 190 V, el rendimiento más alto logrado para los MSC impresos. El equipo imprimió un extraordinario máximo de 16 celdas por cm.2Esto muestra el potencial para la fabricación personalizada de grandes conjuntos de MSC.
La adaptabilidad de la impresión 3D de grafeno sin aditivos ofrece interesantes oportunidades para explorar y optimizar los diseños de MSC. Los investigadores validaron la calidad de impresión de electrodos entrelazados en diversas arquitecturas, bobinas de carga inalámbrica y patrones similares a copos de nieve. Ahora se pueden construir dispositivos híbridos que incorporen matrices de MSC y otros componentes impresos para satisfacer las necesidades de energía de innovaciones microelectrónicas como biosensores de laboratorio en un chip y pantallas flexibles.
Aunque se han logrado avances significativos, quedan dudas antes de que la impresión 3D de grafeno sin aditivos pueda permitir microsupercondensadores ubicuos. La importante volatilidad e inflamabilidad de los electrolitos de uso común pueden limitar sus opciones de aplicación. La compra de equipos especializados para la impresión basada en extrusión podría presentar obstáculos financieros para una adopción más amplia. Y la producción de tinta de grafeno debe ser escalable de forma rentable.
Además, es posible que la resolución de impresión y el tamaño mínimo alcanzable de las características aún no alcancen los de la fotolitografía. La durabilidad a largo plazo de más de 100.000 ciclos también requiere mejoras adicionales para una vida útil comercial competitiva. El trabajo futuro debería cuantificar los costos exactos de fabricación por dispositivo y examinar cómo se pueden mitigar las preocupaciones sobre la toxicidad de composiciones de electrolitos específicas. Sin embargo, los importantes avances en la personalización y el rendimiento electroquímico son muy prometedores para permitir diseños creativos de MSC.
Una demostración del mundo real mostró cómo un MSC alimenta con éxito una pantalla de luz de 42 LED. Con escalabilidad para la producción a escala industrial, la técnica propuesta proporciona un camino para finalmente realizar MSC de grafeno como una solución disruptiva de almacenamiento de energía a microescala lista para su integración en aplicaciones electrónicas expandibles. Más allá del almacenamiento de energía, la capacidad de impresión 3D robusta y de alta resolución abre posibilidades para dispositivos basados en grafeno en los campos médico, energético e informático.
Este avance en la fabricación aditiva de MSC de grafeno de alto rendimiento abre las puertas para satisfacer diversos requisitos energéticos a través de tecnologías flexibles. La capacidad de imprimir en 3D sofisticados electrodos de grafeno puro con geometrías personalizadas facilita la investigación y optimización de diseños para una variedad de dispositivos portátiles. Y las métricas electroquímicas excepcionales que superan los informes anteriores sobre MSC impresos permiten una integración de almacenamiento de energía más pequeña pero más duradera.
Los investigadores señalan aplicaciones potenciales que van desde alimentar biosensores de laboratorio en chips y monitores de salud de textiles electrónicos hasta robótica blanda para misiones de búsqueda y rescate. Además, las arquitecturas especializadas de MSC algún día podrían ayudar a ampliar la gama de vehículos eléctricos.
A medida que la impresión 3D sin aditivos permite una complejidad completamente nueva de electrodos, ahora surgen las preguntas más importantes: ¿Podrían las geometrías MSC personalizadas permitir opciones como el ajuste del rendimiento sobre la marcha? ¿Puede la innovación permitir dispositivos flexibles totalmente impresos en 3D? ¿Y algún día comprará paquetes MSC de grafeno personalizados para satisfacer las necesidades de energía exactas de su dispositivo? A medida que se acelera la interacción entre la fabricación aditiva y la ciencia de los materiales, se abren más puertas para avanzar creativamente en los beneficios de MSC.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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