Applications of Graphene and 2D materials in supercapacitors: from large area to nano and from rigid to flexible devices
Authors:   , Hamada Assia 
Published: September 2024

Supercapacitors are a promising energy storage technology of considerable significance in future energy storage systems. They offer distinct advantages, including exceptionally high-power density, rapid charging and discharging capabilities, prolonged cycle life, efficient energy storage, and temperature resistance.

The successful isolation of graphene by Andre Geim and Konstantin Novoselov allowed them to win the Nobel Prize in Physics in 2010 because it exhibits extraordinary properties such as high electrical and thermal conductivity, remarkable mechanical strength, transparency, and biocompatibility. However, challenges persist in the mass production of graphene and its cost-effectiveness, impeding the material's development at the commercial level.

The present doctoral research investigates the application of direct laser writing (DLW) as a novel method for graphene synthesis, encompassing laser-induced graphene (LIG) and laser-reduced graphene oxide (LrGO) techniques. In these approaches, we settle on infrared (IR) laser technology and Kapton polyimide as precursors to fabricate graphene microsupercapacitor (MSC) electrodes through modulation of laser parameters and variation of Kapton polymer thickness, and through ultraviolet (UV) and IR laser reduction of graphene oxide (GO) to demonstrate the efficacy of LrGO in energy storage applications.

The first phase of the research focuses on the synthesis of rigid LIG-based MSCs through controlled IR laser ablation of Kapton polymer adhesive substrates with a thickness of 60 m. This process yields porous graphene-like structures with notable surface area. Varying laser parameters, including power, scan speed, and fluence, results in MSC electrodes characterized by remarkable electrical conductivity and surface morphology, culminating in robust electrochemical properties within MSC devices.

The second phase involves transitioning from rigid to flexible MSCs by modifying the Kapton thickness to 125 m. Emphasis is placed on the impact of the laser pass count on flexible MSC performance. Multi-pass laser treatment unveils possibilities for enhanced LIG quality, underscoring the potential to amplify the electrochemical efficacy of bendable MSCs with minor laser parameter adjustments.

As a complement and an improvement to the results obtained in the previous part, the third phase consists of the integration of indium selenide (InSe) nanosheets prepared using liquid phase exfoliation (LPE) on LIG as a doping strategy to improve the overall performance of the flexible LIG MSC devices. Precise patterning and deposition techniques facilitate the incorporation of these materials.

This strategic incorporation of 2D materials holds promise for elevating electrode quality) thus increasing MSC device functionality.

Within the framework of the REGRAP-2D project, an alternative laser direct writing technique, LrGO, employing GO as a precursor, was evaluated along with other thermal reduction processes. Notably, laser reduction methods possess a distinctive advantage in enabling intricate patterning on thin films with arbitrary geometries, epitomizing precision, and high resolution. With its shallow penetration depth and localized effects, we demonstrated that this technique is ideally suited for flexible and miniaturized devices in micro- and nanoelectronic applications, including flexible MSCs.

In conclusion, this doctoral thesis presents an investigation of the integration of laser direct writing of both types of LIG and LrGO. And LPE 2D-InSe material to advance in the production of MSCs, as facile, scalable, and low-cost methods, spanning from rigid to flexible configurations. The research not only showcases the potential of these advanced materials in improving energy storage performance, but also provides a roadmap for the design and fabrication of adaptable, high-performance MSC devices for diverse applications ranging from microelectronics to wearable technologies.

RESUMEN

Los supercondensadores han surgido como una prometedora tecnología de almacenamiento de energía para la siguiente generación de dispositivos. Ofrecen ventajas distintivas, incluida una potencia excepcionalmente alta en comparación con las baterías convencionales, capacidades de carga y descarga rápidas, vida útil prolongada, densidad de energía eficiente y buena resistencia a temperaturas. El grafeno, aclamado como un bidimensional, exhibe una serie de propiedades extraordinarias que abarcan alta conductividad eléctrica y térmica, notable resistencia mecánica, transparencia y biocompatibilidad.

La presente tesis doctoral investiga la aplicación de la escritura directa con láser (direct laser writing (DLW)) como un método novedoso para la síntesis de grafeno, que abarca las técnicas de grafitización inducida por láser (Laser Induced Graphene (LIG)) y reducción de óxido de grafeno por láser (Laser reduced Graphene Oxide (LrGO)). En estos enfoques, optamos por la tecnología láser de IR y el polímero Kapton (PI) como precursores para fabricar electrodos de microsupercondensadores (MSCs) basados en grafeno mediante la modulación de parámetros láser y la variación del grosor del PI, y la reducción de óxido de grafeno (GO) mediante láser UV y láser de IR para demostrar la eficacia de LrGO en aplicaciones de MSCs.

La primera fase de la investigación se centra en la síntesis de MSCs basados en LIG mediante la ablación controlada con láser de IR de sustratos adhesivos de PI con un grosor de 60 m. Este proceso produce estructuras porosas similares al grafeno con una notable área superficial. Variar los parámetros láser, incluida la potencia, la velocidad de escaneo y la fluencia, da como resultado electrodos de MSCs caracterizados por una notable conductividad eléctrica y morfología superficial, lo que culmina en propiedades electroquímicas robustas dentro de dispositivos MSCs.

La segunda fase implica la transición de MSCs rígidos a flexibles mediante la modificación del grosor del PI a 125 m y el uso de un polímero no adhesivo. Se hace hincapié en el impacto del número de pasadas láser en el rendimiento de los MSCs flexibles. El tratamiento láser de múltiples pasadas revela posibilidades para mejorar la calidad de LIG, destacando el potencial para amplificar la eficacia electroquímica de los MSCs flexibles con ajustes menores en los parámetros láser. Como complemento y mejora de los resultados obtenidos en la parte anterior, la tercera fase consiste en la integración de láminas de seleniuro de indio (InSe) preparadas mediante exfoliación en fase líquida (liquid phase exfoliation (LPE)) sobre LIG para fabricar dispositivos de MSCs como estrategia de dopaje. Esta incorporación estratégica de materiales 2D promete elevar la calidad de los electrodos y, por lo tanto, aumentar la funcionalidad de los dispositivos MSCs.

En el marco de una colaboración del proyecto REGRAP-2D, se evaluó una técnica alternativa de escritura directa con láser, LrGO, empleando GO como precursor, junto con otros procesos de reducción térmica. Con su poca profundidad de penetración y efectos localizados, se demostró que la técnica de reducción láser es ideal para dispositivos flexibles y miniaturizados en aplicaciones micro- y nanoelectrónicas, incluidos los MSCs flexibles.

En conclusión, esta tesis doctoral presenta una investigación sobre la integración de la escritura directa con láser de ambos tipos de LIG y LrGO. Y materiales 2D-InSe LPE para avanzar en la producción de dispositivos MSCs, como métodos fáciles, escalables y de bajo costo, que abarcan desde configuraciones rígidas hasta flexibles. La investigación no solo muestra el potencial de estos materiales avanzados para mejorar el rendimiento del almacenamiento de energía, sino que también proporciona una hoja de ruta para el diseño y la fabricación de dispositivos MSCs adaptables y de alto rendimiento para diversas aplicaciones que van desde la microelectrónica hasta las tecnologías ponibles.