Første 3D-printede protonledende membran baner vej for skræddersyede energilagringsenheder

Fremkomsten og den øgede tilgængelighed af 3D -print fører til mere dele, der kan tilpasses til lavere omkostninger på tværs af et spektrum af applikationer, fra bærbare smarte enheder til selvkørende køretøjer. Nu, et forskerhold baseret på Tohoku University har 3D-printet den første protonudvekslingsmembran, en kritisk komponent i batterier, elektrokemiske kondensatorer og brændselsceller. Præstationen bringer også muligheden for tilpassede solid-state energienheder tættere på virkeligheden, ifølge forskerne.

Resultaterne blev offentliggjort i ACS Applied Energy Materials , et tidsskrift fra American Chemical Society.

"Energilagerenheder, hvis former kan skræddersyes, muliggør helt nye muligheder for applikationsrelaterede, for eksempel, til smart bærbar, elektronisk medicinsk udstyr, og elektroniske apparater såsom droner, " sagde Kazuyuki Iwase, papirforfatter og adjunkt i professor Itaru Honmas gruppe ved Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials ved Tohoku University. "3D-print er en teknologi, der muliggør realisering af sådanne on-demand strukturer."

Nuværende 3D-printfremstilling fokuserer på strukturelle dele, der bidrager til et slutprodukts funktion, i stedet for at tilføre dele deres egen funktion.

"Imidlertid, 3D-print af energilagringsenheder kræver specialiseret, funktionelt blæk, "Iwase sagde." Vi udviklede en fremstillingsproces og syntetiserede funktionaliserede nano-blæk, der muliggør realisering af kvasi-solid-state energilagringsenheder baseret på 3D-print. "

Holdet blandede uorganiske silica nanopartikler med fotohærdende harpikser og væske, der var i stand til at lede protoner, med stor opmærksomhed på viskositeten af ​​det resulterende blæk. Tidligere undersøgelser, sagde forskerne, resulterede i blæk, der ikke kunne 3D-printes. Ved at blande forholdene mellem ingredienserne, forskerne udviklede blæk, der kunne bruges i en dispenserende 3D-printer og stadig bevare deres egenskaber, selv efter at de er hærdet med ultraviolet bestråling. For at teste egenskaberne, forskerne samlede en trykt membran mellem to carbonelektronelektroder for at lave en operationel quasi-solid-state elektrokemisk kondensator - en nøglekomponent, der er nødvendig for at lette energilagring og -afladning i elektroniske enheder.

"Da vi frit kan vælge de uorganiske materialer eller harpikser til hærdning, vi antager, at denne teknik kan anvendes på forskellige typer energiomdannelsesenheder i kvasi-solid-state-tilstand, " sagde Iwase.

"Sammenlignet med konventionelle fremstillingsteknikker, muligheden for at 3D-udskrive sådanne enheder åbner nye muligheder for protonledende enheder, såsom former, der kan justeres, så de passer til de enheder, de driver, eller som kan tilpasses til de personlige behov hos en patient, der bærer en smart medicinsk enhed, " sagde Iwase.

Holdet planlægger at forbedre blækformlerne med det mål at fuldt ud 3D-printe energilagringsenheder med mere komplekse former og lede efter industrielle partnere, der kunne være interesserede i at anvende denne teknik eller andre muligheder for at kommercialisere den.