Supercondensador de grafeno entrelazado espacial de alto rendimiento

Supercondensador de grafeno entrelazado espacial de alto rendimiento


Los dispositivos electrónicos portátiles aumentaron la demanda de supercondensadores con alta densidad de potencia y flexibilidad mecánica en un espacio limitado. Sin embargo, los dispositivos comercializados actualmente tienen una configuración interdigital en el plano y un diseño de sándwich de espesor limitado, lo que limita sus propiedades mecánicas.

Supercondensador de grafeno entrelazado espacial de alto rendimiento

​​​​​​Estudio: supercondensador de grafeno espacialmente anidado con alta densidad de energía superficial y flexibilidad mecánica. Crédito: Rost9/Shutterstock.com

En el presente estudio, publicado en la revista ACS Nano, se construyó un supercondensador de grafeno intercalado espacialmente (SI). Aquí, los microelectrodos de grafeno se apilaron en múltiples capas en un espacio tridimensional (3D). Además, cada microelectrodo se emparejó con cuatro contramicroelectrodos con espacios estrechos entre todos los microelectrodos 3D intercalados espacialmente que facilitaron el transporte de iones efectivo en el dispositivo.

Los resultados mostraron que el supercondensador de grafeno SI exhibió una alta capacitancia de área específica de 36,46 milifaradios por centímetro cuadrado y una densidad de energía de 5,34 microvatios hora por centímetro cuadrado en un dispositivo de 100 micrones de espesor.

Los microelectrodos en cada capa se interdigitaron, dando a los supercondensadores de grafeno construidos una excelente flexibilidad mecánica y exhibiendo aproximadamente un 98,7 % de retención de energía incluso después de 104 ciclos de prueba de flexión.

El supercondensador de grafeno SI construido tenía flexibilidad mecánica incorporada y alta densidad de energía superficial en un espacio pequeño. Por lo tanto, estos dispositivos de supercondensadores de grafeno SI tienen un gran potencial en dispositivos portátiles, calculadoras y diodos emisores de luz (LED).

supercondensador de grafeno

El desarrollo de fuentes de energía con configuración flexible y alta densidad de potencia es un nuevo interés de investigación debido a la gran demanda de dispositivos electrónicos portátiles y portátiles. La alta capacidad de almacenamiento de los supercondensadores permitió su aplicación en la electrónica moderna, ofreciendo tiempos de carga cortos, diseño estructural y estabilidad de ciclo prolongado.

Los supercondensadores tipo sándwich convencionales carecen de un grosor finito y muestran un intercambio iónico ineficiente entre los electrolitos y los electrodos, lo que da como resultado una baja densidad de potencia. Aunque los supercondensadores en el plano podrían aumentar el grosor y promover la tensión del material del electrodo para lograr una alta densidad de energía superficial, la tensión adicional del material del electrodo indujo la rigidez mecánica.

El grafeno tiene una gran superficie específica, alta conductividad eléctrica, flexibilidad mecánica superior y excelentes propiedades electroquímicas. Por lo tanto, el carbono se reemplaza por grafeno en los supercondensadores. El área superficial es fundamental para la capacitancia y, debido a que el grafito tiene un área superficial alta, puede ofrecer un mejor almacenamiento de carga electrostática en los supercondensadores de grafeno.

Los supercondensadores de grafeno han pasado rápidamente de prototipos de laboratorio a dispositivos electrónicos comerciales que pronto podrían competir con las baterías comerciales. El supercondensador de grafeno aprovecha sus propiedades elásticas, peso ligero y resistencia mecánica.

Por lo tanto, un supercondensador de grafeno puede almacenar la misma cantidad de energía que una batería y puede recargarse rápidamente. Además, el supercondensador de grafeno es más seguro y más respetuoso con el medio ambiente que las baterías actualmente disponibles en el mercado y puede funcionar sin sobrecalentamiento ni explosión.

Supercondensador de grafeno con alta densidad de energía superficial y flexibilidad mecánica

En el presente trabajo se desarrolló el supercapacitor de grafeno SI con flexibilidad mecánica y alta densidad de energía superficial. En este supercondensador, los microelectrodos de grafeno se apilaron en multicapas dentro de un espacio 3D finito. Cada microelectrodo se combinó con cuatro contramicroelectrodos, aumentando el área superficial entre los microelectrodos.

Los microelectrodos 3D intercalados espacialmente con espacios estrechos permitieron un transporte de iones eficiente en el dispositivo de 100 micras de espesor. Además, la excelente flexibilidad mecánica del supercondensador de grafeno SI se mantuvo gracias a los microelectrodos intercalados en todas las capas de microelectrodos de grafeno.

Los resultados confirmaron una correlación entre el número de capas de microelectrodos de grafeno y la capacitancia del área del supercondensador de grafeno SI, que estaba ausente en los condensadores de configuración en plano o sándwich.

El supercondensador de grafeno SI con un espesor de 100 micras tenía una capacitancia específica por centímetro cuadrado de 36,46 milifaradios por centímetro cuadrado a una frecuencia de muestreo de 20 milivoltios por segundo y una densidad de energía de 5,34 microvatios hora por centímetro cuadrado. Además, se retuvo aproximadamente el 98,7 % de la capacidad flexionada inicial después de más de 104 ciclos.

La integración del dispositivo de supercondensador de grafeno SI en un dispositivo de almacenamiento de energía flexible o electrónica de potencia es un proceso simple. La configuración flexible y el anidamiento espacial 3D en supercondensadores de grafeno ofrecieron una buena perspectiva para su aplicación en electrónica portátil/portátil con alta densidad de potencia de área.

Conclusión

Se construyó un supercondensador de grafeno SI con un grosor de 100 micrones y flexibilidad mecánica basado en microelectrodos apilados inversamente y un diseño intercalado espacialmente dentro de un espacio finito 3D, con una capacitancia que aumenta linealmente con el grosor.

Además, debido a la arquitectura de pila invertida, se ha aumentado el área del carenado; en consecuencia, el transporte de iones efectivo entre los microelectrodos se mantuvo durante el proceso de disipación de carga con una eficiencia de Coulombic mejorada.

El supercondensador de grafeno SI construido exhibió una alta capacitancia de área específica de 36,46 milifaradios por centímetro cuadrado a una frecuencia de muestreo de 20 milivoltios por segundo con una densidad de energía de 5,34 microvatios hora por centímetro cuadrado.

Además, se retuvo una capacidad inicial del 98,7 % después de 104 ciclos. Conectar supercondensadores de grafeno SI en paralelo, o simplemente conectarlos en serie, proporcionó mayor capacitancia y voltaje, lo que facilitó su aplicación en dispositivos electrónicos comerciales.

Relación

Wang L, Yao H, Chi F, Yan J, Cheng H, Li Y, Jiang L, Qu L (2022) Supercondensador de grafeno de entrelazado espacial con alta densidad de energía de área y flexibilidad mecánica. ACS nano. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c04989

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