Forschung -

Winzige flexible Superkondensatoren durch Graphentinte

Forscher in China haben ein einfaches Verfahren entwickelt, mit dem man komplizierte Arrays von Mikrosuperkondensatoren aus Graphentinte im Siebdruckverfahren herstellen kann. Die Einfachheit und Designfreiheit des Verfahrens wird die Entwicklung neuer Verfahren für Elektronikkomponenten und flexible Systeme erleichtern.

Obwohl Halbleiterkomponenten immer kleiner werden, sind nicht alle Teile moderner Elektronikgeräte so einfach zu miniaturisieren. Kondensatoren und Batterien sind hier besonders schwierig, da es sich um komplexe und diskrete Zusammensetzungen aus verschiedenen Materialien handelt. Denn ein Mikrosuperkondensator, ein winziger Verwandter dieser beiden Komponenten, könnte ähnliche Aufgaben erfüllen.

Jetzt haben Wissenschaftler der 'Chinesischen Akademie der Wissenschaften' mit einer vielseitigen Graphentinte ein Siebdruckverfahren entwickelt, das schnell mehrere Mikrosuperkondensatoren in verschiedenen Formen und auch als komplizierte Arrays realisiert.

Die Tinte kombiniert Graphen und Ruß, die beide leitfähig sind, mit einem polymeren Bindemittel in einem Lösungsmittel, obwohl die Einfachheit der Mischung die Schwierigkeit, die richtige Zusammensetzung zu finden, gewissermaßen verdeckt.

"Die Vorbereitung von Tinten mit geeigneten elektrischen, elektrochemischen und rheologischen Eigenschaften war eine der größten Herausforderungen für druckbare integrierte Mikrosuperkondensatoren", betonte Zhong-Shuai Wu, einer der leitenden Forscher dieses Projekts.

Wichtig ist, dass die Tinte ein Scherverdünnungsverhalten wie Ketchup zeigt: Beim Auftragen verliert sie durch die Kraft ihre Viskosität, so dass sie leicht fließt, aber sobald die Kraft abgebaut wird, verdickt sie sich und behält ihre Form bei.

Die Forscher platzierten die Graphentinte auf ein Substrat, wie Glas oder flexiblen PET-Kunststoff, und benutzten dabei ein gemustertes Sieb als Schablone.

"Das resultierende Muster beinhaltet alle leitenden Teile des Elementes. Die Tinte auf Graphenbasis kann gleichzeitig als Mikroelektrode, metallfreier Stromabnehmer und Verbindung agieren", bemerkte Wu.

Die Tinte trocknet innerhalb von 12 Stunden. Dann wird ein Elektrolytgel aufgetragen, das sich während weiterer 12 Stunden verfestigt. Danach ist das Element gebrauchsfertig.

Da die gesamte Struktur des Elementes in einem Schritt ausgelegt werden kann, lassen sich sehr komplizierte Designs problemlos realisieren.

Obwohl ein einzelner Mikrosuperkondensator weniger als 1 V liefert, konnten die Forscher 130 von ihnen in Serie integrieren und eine Ausgangsspannung von über 100 V erreichen.

Mikroroboter und 'weiche' Stellglieder auf der Basis von dielektrischen Elastomeren benötigen Hunderte und sogar Tausende von Volt", sagte Wu. "Der Hochspannungsbetrieb erweitert den Anwendungsbereich und den Nutzen von Mikrosuperkondensatoren", meinte Francesca Iacopi, Leiterin des integrierten Nanosystemlabors an der 'University of Technology Sydney' in Australien.

Die Elemente sind auch flexibel, wenn sie auf einem flexiblen Substrat gedruckt werden, was sie dann mit tragbarer Elektronik kompatibel machen sollte.

"Die Vielseitigkeit und die niedrigen Kosten dieses Siebdruckverfahrens könnten Pluspunkte bei den tragbaren Systemen sein, die Einwegartikel darstellen, was die meisten der externen Gesundheitsüberwachungsgeräte und anderen tragbaren Systeme sein sollen", sagte Iacopi.

"Ich glaube, dass Mikrosuperkondensatoren auf solchen flexiblen Substraten besonders vielversprechend wären, um den Bereich der tragbaren Systeme zur Gesundheitsüberwachung zu unterstützen, wie z. B. Sensoren auf Haut und Augen".

Die Forscher sind sehr daran interessiert, mit ihrer Methode vollständigere Systeme herzustellen, indem sie Komponenten einbeziehen, die Energie ernten und diese in den Mikrosuperkondensatoren speichern oder die gespeicherte Energie für den Gebrauch bereitstellen.

Sie hoffen auch, neue Elektrolyte zu verwenden, um die jeweilige Kondensatorspannung zu erhöhen und die Gesamtenergie zu verbessern, die ein Element speichern kann.

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