18 de março de 2024 (Destaque do Nanowerk) O advento da tecnologia wearable trouxe consigo uma necessidade premente de soluções de armazenamento de energia que possam acompanhar a flexibilidade e a elasticidade dos dispositivos eletrônicos flexíveis. Baterias rígidas convencionais e supercapacitores revelaram-se inadequados para uma integração perfeita em dispositivos vestíveis que devem estar em conformidade com o corpo humano e suportar o esforço do uso diário. Esta incompatibilidade entre o armazenamento de energia e a flexibilidade dos dispositivos tem dificultado o progresso em domínios como a monitorização da saúde, os têxteis inteligentes e os implantes biomédicos. Micro-supercapacitores (MSCs) surgiram como candidatos promissores para armazenamento de energia deformável, graças à sua alta densidade de potência, carregamento rápido e longo ciclo de vida. No entanto, criar os intrincados padrões de eletrodos interdigitados necessários para MSCs de alto desempenho usando materiais que podem suportar repetidos alongamentos e torções tem se mostrado um desafio. Embora os pesquisadores tenham feito progressos no aumento da flexibilidade por meio de padrões inventivos e substratos elásticos, muitas abordagens exigem fabricação complexa e ainda falham sob deformação extrema. Agora, um esforço de pesquisa colaborativa liderado pelo Dr. Chanwoo Yang do Instituto Coreano de Tecnologia Industrial e Professor Jin Kon Kim da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang, produziu uma solução potencial. Em seu artigo publicado em npj Flexível Eletrônica (“Micro-supercapacitor deformável fabricado por meio de padronização de ablação a laser de grafeno/metal líquido”), a equipe detalha a fabricação de materiais altamente deformáveis grafeno MSCs baseados usando metal líquido coletores de corrente em um substrato de polímero elástico.
a Ilustração de um sistema integrado compreendendo eletrônica suave e componente deformável de armazenamento de energia. b O processo de fabricação do MSC baseado em EGaIn. c Espectros UV-vis de SEBS, EGaIn e grafeno. Imagens FE-SEM de ablação a laser d Grafeno/EGaIn e e EGaIn (Barra de escala = 200 µm). Fotografias de f logotipos do instituto, g logotipos deformados e h um LED conectado ao circuito MSC (barra de escala = 1 cm). (Imagem: © npj Flexible Electronics) A principal inovação está no uso do eutético gálio-índio (EGaIn), uma liga de metal líquido, como coletor de corrente. “Para implementar um MSC deformável, é necessário um coletor de corrente deformável”, explica Kim à Nanowerk. “No entanto, os coletores de corrente comumente usados são feitos de materiais frágeis como o ouro (Au). Para resolver este problema, escolhemos um 'metal líquido' que possui inerentemente as propriedades de um líquido e condutividade metálica.” O processo de fabricação começa com o revestimento de uma película fina de EGaIn sobre um substrato extensível de estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS), seguido pela deposição de uma camada de grafeno para servir como material de eletrodo ativo. Os pesquisadores fazem a ablação seletiva de grafeno e EGaIn para obter padrões interdigitados usando laser, explorando a forte absorção de laser desses materiais em comparação com o SEBS transparente. Ao ajustar cuidadosamente a intensidade do laser, eles conseguem um padrão preciso sem danificar o substrato elástico subjacente. A escolha dos materiais revela-se crucial para o sucesso desta abordagem. “Alcançamos com sucesso a padronização do metal líquido utilizando sua excelente absorção do comprimento de onda do laser”, observa Kim. “Além disso, ao ajustar a intensidade do laser, evitamos os danos ao substrato causados pelo calor induzido pelo laser, enquanto tanto o grafeno quanto o metal líquido foram ablacionados pelo laser.” O substrato SEBS, que não absorve o comprimento de onda do laser, pode suportar o calor gerado durante a ablação, permitindo a criação de padrões de alta resolução com intervalos de eletrodos tão pequenos quanto 90 µm. Os MSCs resultantes exibem desempenho impressionante, alcançando capacitâncias de área de até 1336 µF cm-2 mantendo ao mesmo tempo uma boa capacidade de taxa. É importante ressaltar que os dispositivos não apresentam degradação significativa sob diversas deformações mecânicas, incluindo dobramento, enrugamento, torção e estiramento, mesmo após 1000 ciclos de deformação. “O MSC usando um coletor de corrente de metal líquido não mostrou nenhuma alteração no desempenho do armazenamento de energia sob várias deformações mecânicas e mesmo após deformações repetidas”, enfatiza Kim, destacando o potencial desses dispositivos para alimentar eletrônicos flexíveis e vestíveis. Para demonstrar o potencial prático dos seus MSCs, os investigadores integraram uma série de dispositivos com díodos emissores de luz para criar um sistema de iluminação extensível. O sistema manteve uma operação estável sob flexões, torções e alongamentos severos, demonstrando a capacidade dos MSCs de alimentar de forma confiável componentes eletrônicos deformáveis. Olhando para o futuro, Kim e Yang veem espaço para melhorias adicionais e possibilidades interessantes para aplicações futuras. “No campo dos MSCs, alcançar simultaneamente alta densidade energética e alta deformabilidade continua a ser um desafio significativo”, observam. “Isso ocorre porque, durante a deformação mecânica, não apenas a interface entre o coletor de corrente e o material ativo deve ser bem mantida, mas também a densidade de energia dos próprios materiais ativos deve ser aumentada. Portanto, esse problema deve ser resolvido.” Embora seja necessário trabalho adicional para aumentar a durabilidade mecânica do eletrólito em gel usado nessas MSCs, o uso de eletrodos de metal líquido com padrão laser representa um passo significativo no desenvolvimento de soluções de armazenamento de energia verdadeiramente deformáveis. À medida que as tecnologias wearable continuam a avançar, inovações como estas desempenharão um papel vital para garantir que os nossos dispositivos se possam adaptar às exigências dos nossos estilos de vida dinâmicos. Desde roupas inteligentes que monitorizam a nossa saúde até implantes biomédicos que se adaptam aos nossos corpos, o futuro da eletrónica vestível dependerá de sistemas de armazenamento de energia que não sejam apenas compactos e potentes, mas também tão flexíveis como nós. Com sua combinação única de condutores de metal líquido, substratos elásticos e alto desempenho eletroquímico, os MSCs baseados em grafeno oferecem um vislumbre emocionante desse futuro, ampliando os limites do que é possível no armazenamento de energia vestível. À medida que a investigação neste campo avança, podemos esperar uma nova geração de dispositivos vestíveis que se integram perfeitamente nas nossas vidas, potenciados por soluções deformáveis de armazenamento de energia que nunca nos impedem.
a Ilustração de um sistema integrado compreendendo eletrônica suave e componente deformável de armazenamento de energia. b O processo de fabricação do MSC baseado em EGaIn. c Espectros UV-vis de SEBS, EGaIn e grafeno. Imagens FE-SEM de ablação a laser d Grafeno/EGaIn e e EGaIn (Barra de escala = 200 µm). Fotografias de f logotipos do instituto, g logotipos deformados e h um LED conectado ao circuito MSC (barra de escala = 1 cm). (Imagem: © npj Flexible Electronics) A principal inovação está no uso do eutético gálio-índio (EGaIn), uma liga de metal líquido, como coletor de corrente. “Para implementar um MSC deformável, é necessário um coletor de corrente deformável”, explica Kim à Nanowerk. “No entanto, os coletores de corrente comumente usados são feitos de materiais frágeis como o ouro (Au). Para resolver este problema, escolhemos um 'metal líquido' que possui inerentemente as propriedades de um líquido e condutividade metálica.” O processo de fabricação começa com o revestimento de uma película fina de EGaIn sobre um substrato extensível de estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS), seguido pela deposição de uma camada de grafeno para servir como material de eletrodo ativo. Os pesquisadores fazem a ablação seletiva de grafeno e EGaIn para obter padrões interdigitados usando laser, explorando a forte absorção de laser desses materiais em comparação com o SEBS transparente. Ao ajustar cuidadosamente a intensidade do laser, eles conseguem um padrão preciso sem danificar o substrato elástico subjacente. A escolha dos materiais revela-se crucial para o sucesso desta abordagem. “Alcançamos com sucesso a padronização do metal líquido utilizando sua excelente absorção do comprimento de onda do laser”, observa Kim. “Além disso, ao ajustar a intensidade do laser, evitamos os danos ao substrato causados pelo calor induzido pelo laser, enquanto tanto o grafeno quanto o metal líquido foram ablacionados pelo laser.” O substrato SEBS, que não absorve o comprimento de onda do laser, pode suportar o calor gerado durante a ablação, permitindo a criação de padrões de alta resolução com intervalos de eletrodos tão pequenos quanto 90 µm. Os MSCs resultantes exibem desempenho impressionante, alcançando capacitâncias de área de até 1336 µF cm-2 mantendo ao mesmo tempo uma boa capacidade de taxa. É importante ressaltar que os dispositivos não apresentam degradação significativa sob diversas deformações mecânicas, incluindo dobramento, enrugamento, torção e estiramento, mesmo após 1000 ciclos de deformação. “O MSC usando um coletor de corrente de metal líquido não mostrou nenhuma alteração no desempenho do armazenamento de energia sob várias deformações mecânicas e mesmo após deformações repetidas”, enfatiza Kim, destacando o potencial desses dispositivos para alimentar eletrônicos flexíveis e vestíveis. Para demonstrar o potencial prático dos seus MSCs, os investigadores integraram uma série de dispositivos com díodos emissores de luz para criar um sistema de iluminação extensível. O sistema manteve uma operação estável sob flexões, torções e alongamentos severos, demonstrando a capacidade dos MSCs de alimentar de forma confiável componentes eletrônicos deformáveis. Olhando para o futuro, Kim e Yang veem espaço para melhorias adicionais e possibilidades interessantes para aplicações futuras. “No campo dos MSCs, alcançar simultaneamente alta densidade energética e alta deformabilidade continua a ser um desafio significativo”, observam. “Isso ocorre porque, durante a deformação mecânica, não apenas a interface entre o coletor de corrente e o material ativo deve ser bem mantida, mas também a densidade de energia dos próprios materiais ativos deve ser aumentada. Portanto, esse problema deve ser resolvido.” Embora seja necessário trabalho adicional para aumentar a durabilidade mecânica do eletrólito em gel usado nessas MSCs, o uso de eletrodos de metal líquido com padrão laser representa um passo significativo no desenvolvimento de soluções de armazenamento de energia verdadeiramente deformáveis. À medida que as tecnologias wearable continuam a avançar, inovações como estas desempenharão um papel vital para garantir que os nossos dispositivos se possam adaptar às exigências dos nossos estilos de vida dinâmicos. Desde roupas inteligentes que monitorizam a nossa saúde até implantes biomédicos que se adaptam aos nossos corpos, o futuro da eletrónica vestível dependerá de sistemas de armazenamento de energia que não sejam apenas compactos e potentes, mas também tão flexíveis como nós. Com sua combinação única de condutores de metal líquido, substratos elásticos e alto desempenho eletroquímico, os MSCs baseados em grafeno oferecem um vislumbre emocionante desse futuro, ampliando os limites do que é possível no armazenamento de energia vestível. À medida que a investigação neste campo avança, podemos esperar uma nova geração de dispositivos vestíveis que se integram perfeitamente nas nossas vidas, potenciados por soluções deformáveis de armazenamento de energia que nunca nos impedem.
– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedade: ultrapassando os limites da tecnologia,
Nanotecnologia: o futuro é minúsculo e
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível
Copyright © XNUMX TuneFab Software Inc. Todos os direitos reservados.
Nanowerk LLC
Torne-se um autor convidado do Spotlight! Junte-se ao nosso grande e crescente grupo de colaboradores convidados. Você acabou de publicar um artigo científico ou tem outros desenvolvimentos interessantes para compartilhar com a comunidade nanotecnológica? Aqui está como publicar em nanowerk.com.
- Conteúdo com tecnologia de SEO e distribuição de relações públicas. Seja amplificado hoje.
- PlatoData.Network Gerativa Vertical Ai. Capacite-se. Acesse aqui.
- PlatoAiStream. Inteligência Web3. Conhecimento Amplificado. Acesse aqui.
- PlatãoESG. Carbono Tecnologia Limpa, Energia, Ambiente, Solar, Gestão de resíduos. Acesse aqui.
- PlatoHealth. Inteligência em Biotecnologia e Ensaios Clínicos. Acesse aqui.
- Fonte: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64866.php
