Una pasta conduttiva a base di grafene per dispositivi flessibili

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La crescente domanda di elettronica indossabile, prodotti tessili elettronici e dispositivi IoT sta determinando la necessità di tecnologie leggere e soluzioni miniaturizzate di stoccaggio dell’energia. I nanomateriali a base di grafene sono al centro di un’intensa ricerca grazie alla loro stabilità chimica, ampia area superficiale, resistenza, flessibilità e conduttività termica ed elettrica superiore.

I supercondensatori, noti per le loro rapide velocità di carica-scarica, la lunga durata e la struttura semplice, stanno diventando indispensabili per l’accumulo di energia nei dispositivi elettronici, nei veicoli elettrici e nei dispositivi biomedici. Funzionano immagazzinando cariche attraverso l’adsorbimento e il desorbimento di ioni sulle interfacce degli elettrodi, raggiungendo densità di potenza superiori a 10.000 W/kg.

I microsupercondensatori, versioni più piccole e leggere, sono particolarmente adatti per dispositivi elettronici portatili e indossabili, offrendo densità di potenza ancora più elevate.

L’elevata conduttività elettrica e l’ampia superficie di alcuni materiali in grafene li rendono ideali per queste applicazioni. Tuttavia, gli attuali metodi di produzione presentano problemi di tossicità e scalabilità, che ne limitano l’uso diffuso. Inoltre, i materiali devono soddisfare i requisiti delle tecniche di deposizione in grado di garantire un ragionevole volume di produzione.

I ricercatori dell’INL hanno sviluppato un approccio sostenibile produrre una pasta conduttiva a base di grafene, adatta alla realizzazione di dispositivi flessibili.

Il lavoro dimostra un metodo innovativo per la produzione scalabile, economicamente vantaggiosa e rispettosa dell’ambiente di materiali di grafene di alta qualità, aprendo la strada ad applicazioni avanzate nello stoccaggio di energia e nell’elettronica flessibile.

Siva Sankar Nemala, ricercatrice dell’INL e prima autrice dell’articolo, spiega la metodologia: “ Il nostro approccio si basa sull’esfoliazione della grafite in acqua utilizzando tecniche di miscelazione ad alto taglio e spruzzatura airless ad alta pressione, attentamente ottimizzate per ottenere dispersioni di grafene altamente concentrate e stabili. I materiali di grafene vengono quindi combinati con nerofumo e un legante naturale per formare una pasta composita ecologica che può essere utilizzata per realizzare microsupercondensatori completamente flessibili e ad alte prestazioni. »

Questi microsupercondensatori dimostrano capacità e densità di energia molto elevate, offrendo eccezionale efficienza e ciclabilità coulombiana (~99% dopo 10.000 cicli), flessibilità meccanica e possibilità di integrazione in serie/parallelo senza interconnessioni metalliche per uscite ad alta tensione e alta capacità. Di conseguenza, questi dispositivi leggeri e versatili hanno un enorme potenziale per le applicazioni elettroniche. », specifica Andrea Capasso, ricercatore dell’INL e coordinatore dello studio.

Aggiunge : “ Abbiamo sviluppato una pasta unica per dispositivi elettronici innovativi che possono essere prodotti con tecniche a basso costo come il rivestimento delle lame e la serigrafia, compiendo un passo significativo verso la produzione commerciale. »

La versatilità e l’ampio potenziale applicativo di questa pasta a base di nanocarbonio sono stati dimostrati dai ricercatori, che hanno fabbricato una gamma di dispositivi diversi, tra cui rivestimenti efficaci per la schermatura contro le interferenze elettromagnetiche e sensori di deformazione indossabili integrati in modo affidabile nei tessuti.

Didascalia dell’illustrazione: Rivestimenti schermanti EMI a base di grafene su substrati PET. (a) Immagine fotografica di una pasta a base di grafene applicata al PET.

Articolo: “Produzione sostenibile di grafene per microsupercondensatori elaborati in soluzione ed elettronica flessibile multiuso” – DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109781

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