Thin-Film Supercapacitors Based on Liquid Metal-Graphene Composite

Abstract

Dipositivos da Internet das Coisas (IoT) e Internet das Coisas Médicas (IoMT) têm atraído a crescente atenção da comunidade científica devido às suas múltiplas aplicações. Equipamentos eletrónicos flexíveis e extensíveis estão na vanguarda desta nova moda tecnológica, na medida em que permitem a fabricação escalável e de baixo-custo de dispositivos thin-film de alto impacto.Contudo, um dos principais obstáculos ao seu desenvolvimento é o seu carregamento ou substituição de baterias. É desejável desenvolver adesivos thin-film energicamente autónomos, isto é, que consigam colher energia elétrica de diferentes tipos de energia nas suas redondezas, incluindo energia térmica/mecânica ou de ondas electromagnéticas. Estes mecanismos coletores de energia necessitam de ser acompanhados por soluções de armazenamento de energia de modo a permitir a funcionalidade ótima e contínua dos dispositivos impressos da Internet das Coisas.Isto levou à emergência de sistemas sem bateria, com supercondensadores como solução de armazenamento de energia. Supercondesadores são preferíveis a baterias na medida em que permitem a sua carga e descarga a altas taxas por milhares de vezes.Neste trabalho, eu investigo o uso de um novo compósito baseado em nanopartículas de metal líquido revestidas por óxido de grafeno (GO@EGaIn) como material ativo em supercondensadores thin-film. Este compósito combina as propriedades metálicas do metal líquido, como condutividade, com as notáveis propriedades dos derivados de grafeno como elevada área de superfície e resistência química. Contudo, este compósito tem uma elevada resistênca de folha, sendo que o óxido de grafeno necessita de ser reduzido para se tornar condutivo. Assim, esta dissertação foca-se na redução de GO@EGaIn assistida por laser para aplicação de supercondensadores, isto inclui um laser de fibra de infravermelhos e um laser de CO2. Eu otimizo os parâmetros de sinteração de laser para a melhor condutividade, e uso esses parâmetros no fabrico dos supercondensadores.Em adição, um novo método de fabricação de dispositivos thin-film baseados em GO@EGaIn usando uma abordagem 'top-down' é também apresentado. Esta técnica envolve o uso de um laser de fibra de baixo custo para criar circuitos padronizáveis de alta resolução. Supercondensadores thin-film multicamada feitos com este método demonstraram uma capacitância máxima areal de 2389 mF/ cm^2 e uma deformação máxima de 380%. As mudanças morfológicas induzidas pelos dispositivos laser são também discutidos usando imagiologia microscópica.Como exemplo de uma aplicação real, um circuito thin-film extensível fabricado usando o novo método de fabricação foi desenvolvido. Um coletor de energia electromagnética sem-fios é combinado com um conversor e com o supercondensador de metal líquido (EGaIn) revestido por óxido de grafeno reduzido a laser LrGO@EGaIn para alimentar um LED significativamente mais tempo do que o seu tempo de carregamento. O dispositivo electrónico de thin-film tem a capacidade de manter as suas habilidades de colheita e armazenamento de energia durante e depois de serem sujeitos a deformação.

Internet of Things (IoT) and Internet of Medical Things (IoMT) have attracted an increasing attention from the research community due to their multi-domain application. Flexible and Stretchable Electronics are at the forefront of this new technological wave, as they permit low-cost and scalable fabrication of impactful thin-film devices. However, one major obstacle against further development is the need for charging or battery replacement. It is desired to develop thin-film stickers that are energy autonomous, i.e., they harvest energy from the surrounding environment, including thermal/mechanical energy, or from the electromagnetic waves. These energy harvesting solutions should be coupled with an energy storage device for optimal and continuous functionality of the printed IoT.This has led to the emergence of battery-less systems, with supercapacitors acting as the energy storage solution. Supercapacitors (SC) are preferred over the batteries as they can be charged and discharged at high speeds for thousands of times.In this work, I investigate the use of a new composite i.e., graphene oxide coated liquid metal GO@EGaIn as active material for thin-film supercapacitor devices. The composite is able to combine the metallic properties of the liquid metal like conductivity, with the remarkable properties of graphene-based materials, including high surface area and chemical resistance. However, this composite has a high sheet resistance, as the graphene oxide needs to be reduced to become conductive. Therefore, this dissertation focuses on laser-assisted reduction of GO@EGaIn for the application of supercapacitors. this includes a Fiber laser with infrared wavelength, and a CO2 laser. I optimize the laser sintering parameters for the best conductivity, and use those parameters in the manufacturing of the supercapacitors.In addition, a new method of fabricating GO@EGaIn based thin-film devices using a "top-down" approach is also presented. This technique involves the use of a low-cost fiber laser to make high-resolution patternable circuits. Thin-film supercapacitor patches were made with this method demonstrate a maximum areal capacitance of 2389 mF / cm^2 and a maximum strain of 380%. The morphological changes induced by the laser devices is also discussed using microscopy imaging.As the example of an application, a stretchable thin-film circuit manufactured using the new fabrication method is developed. A wireless radio frequency energy harvester is combined with a converter and the developed LrGO@EGaIn SC to power a LED for several times longer than its charging time. The manufactured thin-film device is able to maintain its harvesting and storage functions while under strain.