Additieve productie van grafeen voor flexibele en bedrukbare elektronica

Onderzoek geleid door Suprem Das van de Kansas State University, assistent-professor industriële en productiesysteemtechniek, in samenwerking met Christopher Sorensen, universiteitshoogleraar natuurkunde, toont mogelijke manieren om op grafeen gebaseerde nano-inkten te produceren voor additieve productie van supercondensatoren in de vorm van flexibele en bedrukbare elektronica.

Terwijl onderzoekers over de hele wereld de mogelijke vervanging van batterijen door supercondensatoren bestuderen, een energieapparaat dat zeer snel kan opladen en ontladen – binnen enkele tientallen seconden – heeft het team onder leiding van Das een alternatieve voorspelling. Het werk van het team zou kunnen worden aangepast om ze te integreren om de langzame laadprocessen van batterijen te overwinnen. Verder heeft Das additieve fabricage ontwikkeld van kleine supercondensatoren, micro-supercondensatoren genaamd, zodat ze op een dag kunnen worden gebruikt voor integratie op waferschaal in siliciumverwerking.

“Additive manufacturing is fascinerend, kosteneffectief en heeft veelzijdige ontwerpoverwegingen”, zegt Das.

Het team heeft supercondensatoren ontwikkeld die zijn getest voor 10.000 cycli van laad- en ontlaadcycli, een aantal dat veelbelovend is om de betrouwbaarheid van deze apparaten te evalueren, zei Das. Het team bestudeert ook de veelzijdigheid van deze micro-supercondensatoren door te printen op mechanisch flexibele oppervlakken. Hiervoor gebruikten ze 20 micrometer-hin polyimide-plastic-substraten met een hoge betrouwbaarheid. Das is zeer geïnteresseerd in het vertalen van opkomende materialen naar apparaten.

“Als je denkt aan de beste materialen en de beste apparaten wilt maken, is dat niet eenvoudig en rechtlijnig”, zei Das. “Men moet dan de onderliggende fysica en chemie van apparaten begrijpen.”

Een ander voordeel van Das’ vinding zijn de groene aspecten van het onderzoek die hij door constructieve gesprekken met Sorensen in beeld heeft gebracht. Toen Das Sorensen ontmoette, realiseerde hij zich dat hij zijn expertise in additive manufacturing kon gebruiken om deze materialen om te zetten in bruikbare dingen; in dit geval kleine apparaten voor energieopslag maken.

Een paar maanden later vroeg Das een Amerikaans patent aan na het ontwikkelen van een nano-inkttechnologie en gebruikte het om geprinte micro-supercondensatoren te demonstreren.

Das is vooral geïnteresseerd in het vormen van deze synergetische samenwerking met Sorensen vanwege het energie-efficiënte, zeer schaalbare en chemicaliënvrije karakter van het grafeenproductieproces en het productieproces van grafeeninkt van zijn eigen groep. Beide processen zijn gepatenteerde / gepatenteerde technologieën en zijn industrieel relevant, zei Das.

“We maken hoogwaardig, meerlagig grafeen door brandstofrijke mengsels van onverzadigde koolwaterstoffen zoals acetyleen te laten ontploffen met zuurstof in een kamer van meerdere liters,” zei Sorensen. “Onze gepatenteerde methode is eenvoudig, vereist heel weinig energie en is daarom ecologisch goedaardig, vereist geen giftige chemicaliën en is opgeschaald om hoogwaardig, goedkoop grafeen op te leveren.”

Grafeen is erkend als een wondermateriaal met veel potentieel vanwege de vele overtreffende trap fysische eigenschappen. Er zijn over de hele wereld tal van productiemethoden voor grafeen ontwikkeld en grafeen is in tonnen geproduceerd. Technologen zijn zich er echter terdege van bewust dat grafeen nog niet op de markt is, omdat geen van deze methoden de juiste combinatie van economie, ecologie en productkwaliteit heeft gehad om grafeen in staat te stellen zijn potentieel te vervullen. Maar zowel de methoden voor het produceren van grafeen als nano-inkten die aan de Kansas State University worden nagestreefd, zijn volgens Sorensen en Das op schema om aan al deze vereisten te voldoen.