Giderek küçülen elektronik aygıtlar çeşitli teknolojilerin minyatürleşmesini zorlarken, bir alan bu küçülme devriminin gerisinde kalmıştır: batarya ve kapasitörler gibi enerji-depolama birimleri.
UCLA’da California NanoSystems Enstitüsü’nün bir üyesi olan kimya profesörü Richard Kaner ve Kaner’in laboratuvarında mezun öğrenci olan Maher El-Kady standart bataryalardan bin kez daha hızlı yüklenebilen ve deşarj olabilen aygıtlar yani grafen temelli mikroölçek süperkapasitörleri üretmek için bir DVD yazıcı kullanan çığır açıcı bir teknik geliştirdiler. Bir atom kalınlıklı grafitik karbon katmanından yapılan böyle mikro-süperkapasitörler daha kolay imal edilebilir ve gelecek nesil kalp pilleri gibi küçük aygıtlara kolayca entegre edilebilir.
Nature Communications dergisinde bu hafta yayınlanan bir çalışmada açıklanan bu yeni ucuz fabrikasyon yöntemi dönüştürme elektroniği ve diğer alanlar için potansiyele sahip olan böyle süperkapasitörlerin seri üretimi için umut vaad ediyor.
UCLA’nın Henry Samueli Mühendislik ve Uygulamalı Bilim Okulu’nda mühendis ve malzeme mühendisi profesörü de olan Kaner şunları söyledi “Elektronik devreleri ile enerji-depolama birimlerinin entegrasyonu zordur ve bütün sistemin minyatürleşmesini de genelde sınırlar. Bu enerji-depolama bileşenlerinin büyüklük olarak küçültmesi gerekmektedir ve en yaygın entegre fabrikasyon süreçlerinin düzlemsel geometrileri nedeniyle minyatürleştirmeye uygun değildir.”
Öğrencisi El-Kady ise çalışmaları ile ilgili şunları aktardı: “Mikro-süperkapasitörlerin fabrikasyonu için geleneksel yöntemler ucuz aygıtların yapılmasını engelleyen, zorlaştıran yoğun litografi tekniklerini içerir. Bu da onların ticari bir uygulama olmasını sınırlamaktadır. Bunun yerine, biz bir tüketici sınıf LightScribe DVD yazıcıyı grafen mikro-süperkapasitörler üretmek için kullandık. Bu tekniği kullanarak, 30 dakikadan daha az bir sürede bir tek disk üzerine 100 mikro-süperkapasitörden daha fazlasını üretebildik. Üstelik ucuz malzemelerle.”
Minyatürleştirme süreci genellikle düzleştirme teknolojisine dayanmaktadır. Bu teknoloji daha ince ve daha fazla sadece iki boyutlu olan bir geometrik düzlem gibi aygıtları yapmaya yönelik bir teknolojidir. UCLA araştırmacılarının geliştirmekte olduğu yeni mikro-süperkapasitör, üçüncü boyutu tek bir atom kalınlığında olan grafen malzemesi olarak bilinen karbonun bir iki boyutlu düzlemi kullanılarak üretilmektedir.
Kaner ve El-Kady fabrikasyon sırasında yeni bir yapısal tasarımın avantajından yararlandılar. Etkili olması amacıyla herhangi bir süperkapasitör için, iki ayrı elektrot aralarında uygun yüzey alanı en iyi olacak şekilde yerleştirilmiştir. Bu süperkapasitörün daha büyük bir yükü depolayabilmesini sağlar. Önceki tasarımda ise bir sandviç ekmeği dilimleri gibi elektrotlar olarak grafen katmanları istiflenmişti. Bu tasarım işlevsel iken entegre devreleri ile uyumlu değildir.
Bu araştırmacıların yeni tasarımında, bir interdigitated düzen kullanılarak yan yana olacak şekilde (iç içe parmaklar gibi) yerleştirilmiştir. Bu, iki elektrodun her biri için erişilebilir yüzey alanı uygunluğunu iyileştirmeye yardımcı olur. Sonuç olarak, yeni süperkapasitörler önceki tasarımlarından daha fazla yük kapasitesine sahiptir.
İlginç olarak, araştırmacılar birim alan başına daha fazla elektrot yerleştirerek daha fazla yük deppolamak için mikro-süperkapasitörlerin yeterliliğinin iyileştiğini buldular.
Bu çalışmanın kayda değer sonuçlarından sonra grafen mikro-süperkapasitörlerin seri üretimi için iş ortakları aradıklarını da profesör Kaner ifade etti.
Gökhan Atmaca, MSc. twitter.com/kuarkatmaca | facebook.com/anadoluca
Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma Grubu
Kaynak:
http://phys.org/news/2013-02-technique-scale-production-graphene-micro-supercapacitors.html
