Υπερπυκνωτές βελτιώνονται με απλές διεργασίες ακόμη περισσότερο τετραπλασιάζοντας την αποθηκευτική τους ικανότητα

Από επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο Rice σχεδιάστηκε ένας μικρο-υπερπυκνωτής, ο οποίος βελτιώνεται περαιτέρω και μπορεί να βρει το δρόμο του σε προσωπικά και ακόμα σε ηλεκτρονικά που φοριούνται. Η προκαλούμενη με λέιζερ συσκευή γραφενίου βελτιώνεται σε μεγάλο βαθμό όταν το βόριο γίνεται μέρος του μίγματος.

Το εργαστήριο του πανεπιστημίου του χημικού James Tour χρησιμοποιεί εμπορικά λέιζερ για να δημιουργήσει λεπτούς, εύκαμπτους υπερπυκνωτές, εγγράφοντας μοτίβα σε κοινά πολυμερή. Με το λέιζερ ενεργοποιούνται χημικές διεργασίες στον άνθρακα σε βάθος 20 μικρομέτρων στο επάνω στρώμα, το οποίο γίνεται αφρώδες σαν ένα πλέγμα από διασυνδεδεμένες νιφάδες γραφενίου.

Με τον πρώτο εμποτισμό του πολυμερούς με βορικό οξύ, οι ερευνητές τετραπλασίασαν την ικανότητα του υπερπυκνωτή να αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο, ενώ αύξησε κατά πολύ την ενεργειακή του πυκνότητα. Η απλή διαδικασία κατασκευής μπορεί επίσης να είναι κατάλληλη για την κατασκευή καταλυτών, FETs, και εξαρτημάτων για ηλιακά κύτταρα και μπαταρίες ιόντων λιθίου. Η έρευνα αυτή παρουσιάζεται λεπτομερώς στο περιοδικό της Αμερικανικής Χημικής Εταιρείας, ACS Nano.

Οι πυκνωτές φορτίζονται γρήγορα και απελευθερώνουν, όταν χρειάζεται, την ενέργειά τους εκρηκτικά, όπως σε ένα φλας της φωτογραφικής μηχανής. Οι υπερπυκνωτές πρόσθεσαν στο πακέτο την υψηλής ενέργειας χωρητικότητα των μπαταριών και να έχουν δυνατότητες για ηλεκτρικά οχήματα και άλλες βαρέως τύπου εφαρμογές. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η δυνατότητα να τις συρρικνώσουν σε ένα μικρό, ευέλικτο, εύκολα παραγόμενο πακέτο, θα μπορούσε να τις καταστήσει κατάλληλες για ακόμη περισσότερες εφαρμογές.

Σε προηγούμενη εργασία, η ομάδα με επικεφαλής τον μεταπτυχιακό φοιτητή του Rice, Zhiwei Peng δοκίμασε πολλά πολυμερή και ανακάλυψε ότι ένα εμπορικό πολυϊμίδιο ήταν το καλύτερο για τη διαδικασία. Για τη νέα εργασία, το εργαστήριο διάλυσε βορικό οξύ σε πολυαμικό οξύ και το συμπύκνωσε σε ένα εμποτισμένο με βόριο φύλλο πολυϊμιδίου, το οποίο στη συνέχεια εκτέθηκε στο λέιζερ.

Η διαδικασία αυτή των δύο σταδίων παράγει μικρο-υπερπυκνωτές με τετραπλάσια ικανότητα να αποθηκεύουν ηλεκτρικό φορτίο και με πενταπλάσια έως δεκαπλάσια πυκνότητα ενέργειας σε σχέση με την προηγούμενη, χωρίς βόριο, έκδοση. Οι νέες συσκευές αποδείχθηκαν εξαιρετικά σταθερές σε πάνω από 12.000 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης, διατηρώντας το 90 % της χωρητικότητάς τους. Σε τεστ αντοχής, αναφέρουν οι ερευνητές, τα κατάφεραν σε 8.000 κύκλους χωρίς απώλεια απόδοσης.

Ο Tour είπε ότι η τεχνική προσφέρεται για βιομηχανικής κλίμακας, roll-to-roll παραγωγή μικρο-υπερπυκνωτών. «Αυτό που κάναμε δείχνει ότι μπορούν να γίνουν τεράστιες διαμορφώσεις και βελτιώσεις με την προσθήκη άλλων στοιχείων και την εκτέλεση άλλων χημικών διεργασιών μέσα στο πολυμερές φιλμ, πριν από την έκθεση στο λέιζερ», είπε. «Μόλις το λέιζερ δρα, εκείνα τα άλλα στοιχεία πραγματοποιούν νέες χημικές διεργασίες που αυξάνουν πραγματικά την απόδοση του υπερπυκνωτή. Αυτό είναι ένα βήμα προς την κατεύθυνση να γίνουν ακόμη πιο κατάλληλα για βιομηχανικές εφαρμογές».

video για τη μέθοδο χρήσης του λέιζερ στην παραγωγή του υπερπυκνωτή:

Πηγή: Rice University

Περισσότερα στο άρθρο: Flexible Boron-Doped Laser-Induced Graphene Microsupercapacitors, ACS Nano, Publication Date (Web): May 15, 2015