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Mikro-Supercaps auf flexibles PET drucken

Miniaturisierte Elektronik benötigt kleine Energiespeicher. Konventionelle Batterien sind dafür allerdings zu sperrig und schwer. Es bieten sich Mikro-Supercaps an, doch bislang gab es kein kostengünstiges, skalierbares Verfahren, eine Reihenschaltung war umständlich zu verdrahten und die äußere Form nicht anpassbar. Nun drucken Forscher flexible Kondensatoren mit Graphentinte.

An der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking haben Wissenschaftler ein Siebdruckverfahren entwickelt, das mehrere Mikro-Supercaps in verschiedenen Formen sowie als komplexe Arrays realisiert und leicht automatisierbar ist.

Die Tinte setzt sich aus Graphen, Ruß und einem polymeren Bindemittel zusammen. Das Mischungsverhältnis ist auf einen hohen Grad an Scherentzähung optimiert. Beim Auftragen verliert die Tinte an Viskosität, sodass sie leicht abfließt, verdickt sich aber, wenn keine Scherkräfte mehr auftreten.

Das Material wird mit einem gemusterten Sieb auf ein Substrat, wie Glas oder flexibles PET, aufgebracht. Das resultierende Muster beinhaltet alle leitenden Teile des Elementes, was die Herstellung erheblich vereinfacht. Der Aufdruck kann als Elektrode, metallfreier Stromabnehmer oder Verbindung fungieren. Die Tinte trocknet innerhalb von 12 Stunden. Dann wird ein Elektrolytgel aufgetragen, das sich innerhalb von 12 Stunden verfestigt.

Um die mechanische Flexibilität der PET-Variante zu demonstrieren, ermittelten die Forscher die Strom-Spannungs-Kurven von konzentrischen und streifenförmigen Kondensatoren in verschiedenen Biegewinkeln. Nur vernachlässigbare Kapazitätsänderungen von 0,5 % traten bei einem Winkel von 180° auf. Damit eignen sich die Supercaps beispielsweise auch für miniaturisierte Sensoren in der Medizin, die auf der Haut, im Körper oder auf dem Auge platziert sind.

Mikroroboter und Soft-Aktuatoren auf der Basis von dielektrischen Elastomeren benötigen Hunderte oder sogar Tausende von Volt Versorgungsspannung. Ein einzelner Mikro-Supercap liefert zwar nur etwa 1 V, aber 130 von ihnen konnten die Forscher in Reihe schalten. Bei einer Scan-Rate von 5 mV/s erzielten die Bausteine eine Flächenkapazität von 1,0 mF/cm², bei 500 mV/s 0,58 mF/cm². Die Energiedichte betrug 1,81 mWh/cm³ und die Leistungsdichte 297 mW/cm³. 91,8 % der Kapazität blieb nach 10 000 Zyklen erhalten.

Zukünftig wollen die Forscher Energy-Harvesting-Systeme drucken und sie mit den Supercaps kombinieren. Außerdem sollen weitere Elektrolyte ausprobiert werden, um auf höhere Spannungen und Energiedichten zu kommen.

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