Les recherches menées par Suprem Das de l’Université d’État du Kansas, professeur adjoint d’ingénierie des systèmes industriels et de fabrication, en collaboration avec Christopher Sorensen, professeur distingué de physique à l’université, montrent des moyens potentiels de fabriquer graphène-des nano-encres pour la fabrication additive de supercondensateurs sous forme d’électronique flexible et imprimable.
Alors que des chercheurs du monde entier étudient le remplacement potentiel des batteries par des supercondensateurs, un dispositif énergétique qui peut se charger et se décharger très rapidement – en quelques dizaines de secondes – l’équipe dirigée par Das a une autre prédiction. Le travail de l’équipe pourrait être adapté pour les intégrer afin de surmonter les processus de charge lente des batteries. En outre, Das a développé la fabrication additive de petits supercondensateurs – appelés micro-supercondensateurs – afin qu’ils puissent un jour être utilisés pour l’intégration à l’échelle des tranches dans le traitement du silicium.
« La fabrication additive est fascinante, rentable et comporte des considérations de conception polyvalentes », a déclaré Das.
L’équipe a développé des supercondensateurs qui ont été testés pendant 10 000 cycles de charge et de décharge, un nombre prometteur pour évaluer la fiabilité de ces appareils, a déclaré Das. L’équipe étudie également la polyvalence de ces micro-supercondensateurs en imprimant sur des supports flexibles superficies. Pour cela, ils ont utilisé des substrats en polyimide – plastique – de 20 micromètres-hin avec une grande fiabilité. Das est très intéressé par la traduction de matériaux émergents en appareils.
“Lorsque vous pensez aux meilleurs matériaux et que vous souhaitez fabriquer les meilleurs appareils, ce n’est pas simple et direct”, a déclaré Das. “Il faut ensuite comprendre la physique et la chimie sous-jacentes impliquées dans les appareils.”
Un autre avantage de l’invention de Das est les aspects verts de la recherche qu’il a visualisés à travers des discussions constructives avec Sorensen. Lorsque Das a rencontré Sorensen, il s’est rendu compte qu’il pouvait utiliser son expertise en fabrication additive pour transformer ces matériaux en objets utiles ; dans ce cas, fabriquer de minuscules dispositifs de stockage d’énergie.
Quelques mois plus tard, Das a déposé un brevet américain après avoir développé une technologie de nano-encre et l’a utilisée pour démontrer des micro-supercondensateurs imprimés.
Das est particulièrement intéressé à former cette collaboration synergique avec Sorensen en raison de la nature écoénergétique, hautement évolutive et sans produits chimiques du processus de production de graphène et du processus de fabrication d’encre au graphène de son propre groupe. Ces deux processus sont des technologies brevetées/en instance de brevet et sont pertinents sur le plan industriel, a déclaré Das.
“Nous fabriquons du graphène multicouche de haute qualité en faisant exploser des mélanges riches en carburant d’hydrocarbures insaturés tels que l’acétylène avec de l’oxygène dans une chambre de plusieurs litres”, a déclaré Sorensen. « Notre méthode brevetée est simple et nécessite très peu d’énergie, elle est donc écologiquement inoffensive ; ne nécessite aucun produit chimique toxique; et a été mis à l’échelle pour produire du graphène de haute qualité et peu coûteux.
Le graphène a été reconnu comme un matériau merveilleux avec beaucoup de potentiel en raison de ses nombreuses propriétés physiques superlatives. De nombreuses méthodes de fabrication de graphène ont été développées à travers le monde et le graphène a été produit en quantités de tonnes. Les technologues, cependant, sont bien conscients que le graphène n’est pas encore sur le marché car aucune de ces méthodes n’a eu la bonne combinaison d’économie, d’écologie et de qualité du produit pour permettre au graphène de réaliser son potentiel. Mais les méthodes de production de graphène et de nano-encres poursuivies à la Kansas State University sont en bonne voie pour répondre à toutes ces exigences, selon Sorensen et Das.
La recherche sur les supercondensateurs imprimés, Graphene Aerosol Gel Ink for Printing Micro-Supercapacitors, a récemment été publiée comme article de couverture dans la revue ACS Matériaux énergétiques appliqués.
Référence : « Graphene Aerosol Gel Ink for Printing Micro-Supercapacitors » par Anand PS Gaur, Wenjun Xiang, Arjun Nepal, Justin P. Wright, Pingping Chen, Thiba Nagaraja, Shusil Sigdel, Brice LaCroix, Christopher M. Sorensen et Suprem R. Das , 11 juin 2021, ACS Matériaux énergétiques appliqués.
DOI : 10.1021 / acsaem.1c00919
L’ancien chercheur postdoctoral Anand Gaur de l’équipe de recherche Das, plusieurs étudiants diplômés des groupes Das et Sorensen et le professeur agrégé Brice LaCroix du département de géologie K-State ont contribué à ce travail. Le travail a été soutenu par une subvention de la National Science Foundation.
