В то время как спрос на все более мелкие электронные устройства стимулировало миниатюризацию различных технологий, одна область в этом сильно отстает: накопительные элементы, такие как батареи и конденсаторы — не слишком уменьшились. Ричарду Канеру, профессору из института наносистем в Калифорнии, и Махеру эль-Кади, аспиранту лаборатории Канера, возможно удалось это изменить.

Ученые из UCLA разработали новаторский метод, при котором используется пишущий DVD для изготовления микроскопических cуперконденсаторов на основе графена — это устройства, могут заряжаться и разряжаться от сотни до тысячи раз быстрее, чем стандартные аккумуляторы. Эти микро-суперконденсаторы, изготовленные из одноатомного слоя графитового углерода, могут быть легко изготовлены и легко интегрированы в небольших устройствах, таких как следующее поколение кардиостимуляторов. Новые экономически эффективные технологии изготовления, описанные в исследовании, опубликованы на этой неделе в журнале «Nature Communications» и являются весьма перспективными для массового производства этих суперконденсаторов.

«Интеграция энергетических накопителей с электронными схемами является сложным процессом и часто ограничивает миниатюризацию всей системы», сказал Канер, который также является профессором материаловедения и инженерии в UCLA. «Это потому, что накопители плохо поддаются уменьшению в размерах и не слишком хорошо сочетаются с геометрическими ограничениями при производстве».

«Традиционные методы изготовления микро-суперконденсаторов включает в себя трудоемкие литографические методы, которые доказали свою непригодность при производстве рентабельных устройств, что ограничивает их коммерческое применение», сказал Эль-Кади. «Вместо этого, мы использовали обычный DVD проигрыватель потребительского класса копеечной стоимости для получения графеновых микро-суперконденсаторов. Используя эту технику, мы были в состоянии производить более 100 микро-суперконденсаторов на одном диске менее чем за 30 минут, используя недорогие материалы».

Процесс миниатюризации часто опирается на технологии сжатия, что делает устройства тоньше и больше похожими на геометрические плоскости, которые имеет только два измерения. При разработке своих новых микро-суперконденсаторов, Канер и Эль-Кади использовали двухмерный лист углерода, известный как графен, толщиной в один атома.

Для любого из суперконденсаторов, для повышения эффективности, требуется, чтобы два раздельных электрода были расположены так, чтобы площадь поверхности между ними была максимальной. Это позволяет суперконденсаторам хранить больший заряд. В предыдущих конструкциях слои графена выкладывались друг на друга как бутерброд. Хотя эта конструкция была функциональной, однако, она не была совместима с интегральными схемами.

В своей новой конструкции, исследователи поместили электроды бок о бок используя метод плетения, похожий на переплетенные пальцы. Это позволило максимально использовать доступную площадь поверхности для каждого из двух электродов, а также сократить путь по которому ионы в электролите должны диффундировать. В результате, новые суперконденсаторы имеют большую емкость заряда и скорости заряда/разряда.

Канер и Эль-Кади смогли изготовить эти сложные суперконденсаторы используя доступный и легко масштабируемый метод. Они обклеили слоем пластика поверхность DVD диска, а затем покрыли этот пластик слоем оксида графита. Затем, они просто вставили диск в оптический привод LightScribe, и воспользовались его лазером, чтобы создать гребенчатую структуру. Лазерная запись оказалась настолько точной, что ни один из электродов не касался другого, что вызвало бы короткое замыкание суперконденсатора.

«Для маркировки дисков с помощью LightScribe поверхность диска покрывается красителем, который меняет цвет под воздействием лазерного излучения. Вместо печати на этом специализированном покрытии, наш подход заключается в покрытии диска слоем оксида графита, на котором затем можно печатать суперконденсаторы», сказал Канер. «Ранее мы обнаружили необычный фото-тепловой эффект, при котором оксид графита поглощает лазерное излучение и превращается в графен. С лазерной точностью привод отрисовывает разработанный на компьютере шаблон по графитовой пленке для получения желаемых схем из графена». «Этот процесс является простым, экономически эффективным и может быть даже запущен в домашних условиях», сказал Эль-Кади».

А ещё микро-суперконденсаторы очень гибкие и могут скручиваться, что делает их потенциально полезными в качестве источников энергии для гибких электрических схем. Они также могут быть напечатаны непосредственно на чипе, что делает их весьма полезными для интеграции в микро-электромеханические системы (MEMS) или в металло-оксидные полупроводники (CMOS).

Эти микро-суперконденсаторы обладают отличной цикличной устойчивостью, что является важным преимуществом по сравнению с микро-батареями, которые имеют меньшую продолжительность жизни. В случае выхода из строя микробатареи, необходимость её замены может стать серьезной проблемой, если она являются частью таких устройств, как биомедицинские имплантаты, активные радиочастотные идентификаторы или встроенные микро-датчики, для которых обслуживания или замена — сложно осуществимо.

Так-как они могут быть нанесены непосредственно на чип, эти микро-суперконденсаторы могут помочь лучше извлекать энергию из солнца, механических и тепловых источников энергии и тем самым сделать более эффективными системы с автономным питанием. Они также могут быть напечатаны на задних стенках панелей солнечных батарей для хранения электроэнергии, вырабатываемой в течение дня для использования её после захода солнца, тем самым помогая обеспечить круглосуточное обеспечение электроэнергией.

«Мы сейчас ищем партнеров по отрасли, чтобы помочь нам запустить массовое производство наших графеновых микро-суперконденсаторов», сказал Канер.