18 mars 2024 (Projecteur Nanowerk) L'avènement de la technologie portable a entraîné un besoin pressant de solutions de stockage d'énergie capables de suivre le rythme de la flexibilité et de l'extensibilité des appareils électroniques souples. Batteries rigides conventionnelles et supercondensateurs se sont révélés inadéquats pour une intégration transparente dans des appareils portables qui doivent s'adapter au corps humain et résister aux contraintes d'une utilisation quotidienne. Cette inadéquation entre le stockage d’énergie et la flexibilité des appareils a entravé les progrès dans des domaines tels que la surveillance de la santé, les textiles intelligents et les implants biomédicaux. Les micro-supercondensateurs (MSC) sont devenus des candidats prometteurs pour le stockage d'énergie déformable, grâce à leur densité de puissance élevée, leur charge rapide et leur longue durée de vie. Cependant, la création des modèles d'électrodes interdigités complexes nécessaires aux MSC hautes performances à l'aide de matériaux capables de supporter des étirements et des torsions répétés s'est avérée difficile. Bien que les chercheurs aient fait des progrès en améliorant la flexibilité grâce à des motifs inventifs et des substrats élastiques, de nombreuses approches nécessitent une fabrication complexe et échouent toujours en cas de déformation extrême. Aujourd'hui, un effort de recherche collaboratif dirigé par le Dr Chanwoo Yang de l'Institut coréen de technologie industrielle et le professeur Jin Kon Kim de l'Université des sciences et technologies de Pohang, a fourni une solution potentielle. Dans leur article publié dans Electronique flexible npj (« Micro-supercondensateur déformable fabriqué par ablation laser de graphène/métal liquide »), l'équipe détaille la fabrication de matériaux hautement déformables graphène MSC basés sur métal liquide collecteurs de courant sur un substrat polymère élastique.
a Illustration d'un système intégré comprenant une électronique douce et un composant de stockage d'énergie déformable. b Le processus de fabrication du MSC basé sur EGaIn. c Spectres UV-visible de SEBS, EGaIn et graphène. Images FE-SEM d'ablation laser d Graphène/EGaIn et e EGaIn (barre d'échelle = 200 µm). Des photographies de f logos d'institut, g logos déformés, et h une LED connectée au circuit MSC (Barre d'échelle = 1 cm). (Image : © npj Flexible Electronics) L'innovation clé réside dans l'utilisation du gallium-indium eutectique (EGaIn), un alliage métallique liquide, comme collecteur de courant. "Pour mettre en œuvre un MSC déformable, un collecteur de courant déformable est nécessaire", explique Kim à Nanowerk. « Cependant, les collecteurs de courant couramment utilisés sont constitués de matériaux fragiles comme l’or (Au). Pour résoudre ce problème, nous avons choisi un « métal liquide » qui possède intrinsèquement les propriétés d’un liquide et une conductivité métallique. Le processus de fabrication commence par le revêtement d'un film mince d'EGaIn sur un substrat étirable en styrène-éthylène-butylène-styrène (SEBS), suivi du dépôt d'une couche de graphène pour servir de matériau d'électrode actif. Les chercheurs ont ablation sélectivement le graphène et l'EGaIn pour obtenir un motif interdigité à l'aide d'un laser, exploitant la forte absorption laser de ces matériaux par rapport au SEBS transparent. En réglant soigneusement l’intensité du laser, ils obtiennent un motif précis sans endommager le substrat élastique sous-jacent. Le choix des matériaux s’avère crucial pour la réussite de cette démarche. « Nous avons réussi à modeler le métal liquide en utilisant son excellente absorption de la longueur d'onde du laser », note Kim. "De plus, en ajustant l'intensité du laser, nous avons évité les dommages au substrat causés par la chaleur induite par le laser, tandis que le graphène et le métal liquide ont été éliminés par le laser." Le substrat SEBS, qui n'absorbe pas la longueur d'onde du laser, peut résister à la chaleur générée lors de l'ablation, permettant ainsi la création de motifs haute résolution avec des espaces entre électrodes aussi petits que 90 µm. Les MSC résultants présentent des performances impressionnantes, atteignant des capacités surfaciques allant jusqu'à 1336 XNUMX µF cm-2 tout en conservant une bonne capacité de débit. Il est important de noter que les dispositifs ne présentent aucune dégradation significative sous diverses déformations mécaniques, notamment le pliage, le froissement, la torsion et l'étirement, même après 1000 XNUMX cycles de déformation. "Le MSC utilisant un collecteur de courant à métal liquide n'a montré aucun changement dans les performances de stockage d'énergie sous diverses déformations mécaniques et même après des déformations répétées", souligne Kim, soulignant le potentiel de ces dispositifs pour alimenter des appareils électroniques portables et flexibles. Pour démontrer le potentiel pratique de leurs MSC, les chercheurs ont intégré une série de dispositifs dotés de diodes électroluminescentes pour créer un système d'éclairage extensible. Le système a maintenu un fonctionnement stable malgré des courbures, des torsions et des étirements sévères, démontrant la capacité des MSC à alimenter de manière fiable des composants électroniques déformables. Pour l’avenir, Kim et Yang voient des possibilités d’amélioration supplémentaires et des possibilités intéressantes pour de futures applications. "Dans le domaine des MSC, atteindre simultanément une densité énergétique élevée et une déformabilité élevée reste un défi important", notent-ils. « En effet, lors de la déformation mécanique, non seulement l'interface entre le collecteur de courant et le matériau actif doit être bien maintenue, mais également la densité énergétique des matériaux actifs eux-mêmes doit être augmentée. Par conséquent, ce problème devrait être résolu. Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour améliorer la durabilité mécanique de l'électrolyte en gel utilisé dans ces MSC, l'utilisation d'électrodes de métal liquide à motif laser représente une avancée significative dans le développement de solutions de stockage d'énergie véritablement déformables. À mesure que les technologies portables continuent de progresser, des innovations comme celles-ci joueront un rôle essentiel pour garantir que nos appareils puissent s'adapter aux exigences de nos modes de vie dynamiques. Des vêtements intelligents qui surveillent notre santé aux implants biomédicaux qui s'adaptent à notre corps, l'avenir de l'électronique portable reposera sur des systèmes de stockage d'énergie non seulement compacts et puissants, mais aussi flexibles que nous. Grâce à leur combinaison unique de conducteurs en métal liquide, de substrats élastiques et de performances électrochimiques élevées, les MSC à base de graphène offrent un aperçu passionnant de cet avenir, repoussant les limites de ce qui est possible en matière de stockage d'énergie portable. À mesure que la recherche progresse dans ce domaine, nous pouvons nous attendre à une nouvelle génération d’appareils portables qui s’intègrent parfaitement à nos vies, grâce à des solutions de stockage d’énergie déformables qui ne nous freinent jamais.
a Illustration d'un système intégré comprenant une électronique douce et un composant de stockage d'énergie déformable. b Le processus de fabrication du MSC basé sur EGaIn. c Spectres UV-visible de SEBS, EGaIn et graphène. Images FE-SEM d'ablation laser d Graphène/EGaIn et e EGaIn (barre d'échelle = 200 µm). Des photographies de f logos d'institut, g logos déformés, et h une LED connectée au circuit MSC (Barre d'échelle = 1 cm). (Image : © npj Flexible Electronics) L'innovation clé réside dans l'utilisation du gallium-indium eutectique (EGaIn), un alliage métallique liquide, comme collecteur de courant. "Pour mettre en œuvre un MSC déformable, un collecteur de courant déformable est nécessaire", explique Kim à Nanowerk. « Cependant, les collecteurs de courant couramment utilisés sont constitués de matériaux fragiles comme l’or (Au). Pour résoudre ce problème, nous avons choisi un « métal liquide » qui possède intrinsèquement les propriétés d’un liquide et une conductivité métallique. Le processus de fabrication commence par le revêtement d'un film mince d'EGaIn sur un substrat étirable en styrène-éthylène-butylène-styrène (SEBS), suivi du dépôt d'une couche de graphène pour servir de matériau d'électrode actif. Les chercheurs ont ablation sélectivement le graphène et l'EGaIn pour obtenir un motif interdigité à l'aide d'un laser, exploitant la forte absorption laser de ces matériaux par rapport au SEBS transparent. En réglant soigneusement l’intensité du laser, ils obtiennent un motif précis sans endommager le substrat élastique sous-jacent. Le choix des matériaux s’avère crucial pour la réussite de cette démarche. « Nous avons réussi à modeler le métal liquide en utilisant son excellente absorption de la longueur d'onde du laser », note Kim. "De plus, en ajustant l'intensité du laser, nous avons évité les dommages au substrat causés par la chaleur induite par le laser, tandis que le graphène et le métal liquide ont été éliminés par le laser." Le substrat SEBS, qui n'absorbe pas la longueur d'onde du laser, peut résister à la chaleur générée lors de l'ablation, permettant ainsi la création de motifs haute résolution avec des espaces entre électrodes aussi petits que 90 µm. Les MSC résultants présentent des performances impressionnantes, atteignant des capacités surfaciques allant jusqu'à 1336 XNUMX µF cm-2 tout en conservant une bonne capacité de débit. Il est important de noter que les dispositifs ne présentent aucune dégradation significative sous diverses déformations mécaniques, notamment le pliage, le froissement, la torsion et l'étirement, même après 1000 XNUMX cycles de déformation. "Le MSC utilisant un collecteur de courant à métal liquide n'a montré aucun changement dans les performances de stockage d'énergie sous diverses déformations mécaniques et même après des déformations répétées", souligne Kim, soulignant le potentiel de ces dispositifs pour alimenter des appareils électroniques portables et flexibles. Pour démontrer le potentiel pratique de leurs MSC, les chercheurs ont intégré une série de dispositifs dotés de diodes électroluminescentes pour créer un système d'éclairage extensible. Le système a maintenu un fonctionnement stable malgré des courbures, des torsions et des étirements sévères, démontrant la capacité des MSC à alimenter de manière fiable des composants électroniques déformables. Pour l’avenir, Kim et Yang voient des possibilités d’amélioration supplémentaires et des possibilités intéressantes pour de futures applications. "Dans le domaine des MSC, atteindre simultanément une densité énergétique élevée et une déformabilité élevée reste un défi important", notent-ils. « En effet, lors de la déformation mécanique, non seulement l'interface entre le collecteur de courant et le matériau actif doit être bien maintenue, mais également la densité énergétique des matériaux actifs eux-mêmes doit être augmentée. Par conséquent, ce problème devrait être résolu. Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour améliorer la durabilité mécanique de l'électrolyte en gel utilisé dans ces MSC, l'utilisation d'électrodes de métal liquide à motif laser représente une avancée significative dans le développement de solutions de stockage d'énergie véritablement déformables. À mesure que les technologies portables continuent de progresser, des innovations comme celles-ci joueront un rôle essentiel pour garantir que nos appareils puissent s'adapter aux exigences de nos modes de vie dynamiques. Des vêtements intelligents qui surveillent notre santé aux implants biomédicaux qui s'adaptent à notre corps, l'avenir de l'électronique portable reposera sur des systèmes de stockage d'énergie non seulement compacts et puissants, mais aussi flexibles que nous. Grâce à leur combinaison unique de conducteurs en métal liquide, de substrats élastiques et de performances électrochimiques élevées, les MSC à base de graphène offrent un aperçu passionnant de cet avenir, repoussant les limites de ce qui est possible en matière de stockage d'énergie portable. À mesure que la recherche progresse dans ce domaine, nous pouvons nous attendre à une nouvelle génération d’appareils portables qui s’intègrent parfaitement à nos vies, grâce à des solutions de stockage d’énergie déformables qui ne nous freinent jamais.
– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
Nano-société: repousser les limites de la technologie,
Nanotechnologie: l'avenir est minusculeet
Nanoingénierie: les compétences et les outils qui rendent la technologie invisible
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