Direkte sammenhængende multi-ink print af stof superkondensatorer

Fiberformede superkondensatorer er en ønskværdig højtydende energilagringsteknologi til bærbar elektronik. Den traditionelle metode til fremstilling af enheder er baseret på en flertrins tilgang til at konstruere energienheder, som kan give udfordringer under fremstillingen, skalerbarhed og holdbarhed. For at overvinde disse begrænsninger, Jingxin Zhao og et hold af videnskabsmænd i fysik, elektrokemisk energi, nanovidenskab, materialer, og kemiteknik i Kina, USA., og Singapore, udviklet en alt-i-en koaksial fiberformet asymmetrisk supercapacitor (FASC) enhed. Holdet brugte direkte sammenhængende multi-blæk skrift, tredimensionel (3-D) printteknologi ved at designe den indre struktur af de koaksiale nåle og regulere de reologiske egenskaber og fremføringshastigheder af multi-blæk. Enheden leverede en overlegen arealenergi og effekttæthed med enestående mekanisk stabilitet. Holdet integrerede den fiberformede asymmetriske supercapacitor (FASC) med mekaniske enheder og tryksensorer for at realisere højtydende og selvdrevne mekaniske enheder til at overvåge systemer. Værket er nu udgivet på Videnskabens fremskridt .

Teksturbaseret bærbar elektronik

Fremskridt inden for tekstilbaseret bærbar elektronik kan opnås med avancerede fiberenergilagringsenheder med fremragende strikkelighed, fleksibilitet og høj mekanisk stabilitet. Fiberformede asymmetriske superkondensatorer (FASC'er) er meget i brug til at udvikle bærbar elektronik som en lovende fiberformet energilagringsenhed på grund af deres høje effekttæthed, lang cykelstabilitet, fremragende reversibilitet og forbedret energitæthed. I dette arbejde, Zhou et al. integreret high-throughput 3D-printteknologi med direkte blækskrivning til at konstruere den alt-i-én koaksiale FASC-enhed med kompakte interne strukturer. For det, de designet rationelt enheden ved hjælp af 3-D printet direkte, kohærent multi-ink skrivning (DCMW). Holdet designede også den interne struktur af multicore-shell-nålene ved at lade hinanden matche forskellige elektroder, hvor multi-farvernes rheologiske egenskaber matchede hinanden fra det inderste lag til det yderste lag under 3-D print.

Enheden indeholdt en kompakt firelagsstruktur, der forkortede iondiffusionsvejen for at forbedre den elektrokemiske ydeevne og mekaniske holdbarhed af enheden under bøjning. Holdet producerede en proof-of-concept FASC-enhed med vanadiumoxid-nanotråde/multiwalled carbon nanotubes (MWCNT'er) og vanadiumnitrid (VN) nanotråde med multiwalled carbon nanotubes, som positive og negative elektroder, henholdsvis. Konstruktionens ydeevne overgik de eksisterende 3-D-printende superkondensatorenheder for at tilbyde en universel strategi til at danne on-demand fibrøse energilagringsenheder inden for bærbar elektronik.

Fremstillingsprocessen

Forskerne syntetiserede derefter de positive og negative elektroder for at bygge FASC-enheden med høj energitæthed. Derefter, de afslørede mikrostrukturen og morfologien af ​​prøverne ved hjælp af felt-emission scanningselektronmikroskopi (FESEM) og transmissionselektronmikroskopi (TEM). De brugte derefter røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) til at undersøge overfladeelementerne i de forberedte prøver. Holdet brugte som printede kohærente multi-blæk og polyvinylalkohol (PVA) med god rheologisk opførsel som 3-D printbare blæk til at opnå den koaksiale FASC-enhed. De tunede sammensætningen og rheologiadfærden af ​​blækket til vellykket ekstrudering for at opretholde et selvbærende mønster. Holdet forklarede blækadfærden med Herschel-Bulckley-modellen, hvor viskositetsværdierne var egnede til udskrivning.

Holdet karakteriserede tværsnittene af scanningselektronmikroskopi (SEM) billeder af de forskellige varianter af positive og negative elektroder udviklet i laboratoriet. De bekræftede fasesammensætningen og kemiske tilstande af materialet blæk ved at bruge røntgenpulverdiffraktion, Røntgenfotoelektronspektroskopi og Ramanspektre. Holdet observerede tværsnits-SEM-billedet af den 3-D-udskrivning koaksiale FASC-enhed og udskrev også en række komplicerede mønstre ved 3-D-udskrivning DCMW-teknologi for at demonstrere kompetencen af ​​opsætningen til at danne 3-D-printede koaksiale FASC-enheder med høj nøjagtighed og skalerbarhed. Resultatet af stress-belastningsydelsen viste fremragende fleksibilitet og mekanisk styrke af de trykte fiberelektroder og enheder. Holdet observerede mesoporestrukturerne af de positive og negative elektrodefibre på basis af porestørrelsesfordelingen, hvilket gavnede transporten og diffusionen af ​​elektrolytioner under den hurtige opladnings-/afladningsproces.

Integrering af den koaksiale FASC-enhed til 3D-udskrivning i en bærbar enhed.

For at realisere den koaksiale FASC-enhed med høj energitæthed 3D-udskrivning til en bærbar enhed, Zhou et al. valgt de nøjagtige elektrokemiske ydeevner af de positive og negative elektroder via ladningsmatching. Den som printede koaksiale FASC-enhed omfavnede enestående elektrokemisk ydeevne og viste en høj arbejdsspænding på 1,6 V. Holdet vurderede den elektrokemiske ydeevne af den fremstillede 3-D-udskrivning koaksiale enhed ved hjælp af galvanostatisk ladning/afladning (GCD) og elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) ). Resultaterne afslørede den ønskede kapacitive adfærd for den som forberedte FASC-enhed. Den specifikke kapacitans af hele enheden overgik de fleste af de konventionelle fiberformede superkondensatorer. For at demonstrere gennemførligheden af ​​at drive de elektroniske enheder, Zhou et al udviklede en fuldt opladet 3-D-udskrivning koaksial FASC-enhed i form af en drage til at belyse en 1,5 V rød lysdiode (LED).

Konstruktion af et selvdrevet og selvkørende system til energilagring og omdannelse

Forskerne integrerede derefter FASC-enhederne med en solcelle og en elektrisk motor for at realisere et selvdrevet system til at konvertere solenergi til elektrisk energi og mekanisk energi. Den som fabrikerede 3-D-udskrivning koaksiale FASC-enhed gav strøm til tryksensoren i opsætningen baseret på bioinspireret multiscale struktureret polydimethylsiloxan (PDMS) og polypyrolle-stempler på grund af eksistensen af ​​multiscale-arkitekturen. Holdet observerede ikke ydeevneforringelse efter 600 læsse-/aflæsningscyklusser for at demonstrere enhedens fremragende cyklusstabilitet. Den alt-i-en koaksiale solid-state FASC-enhed med høj energitæthed viste sig derfor at være en potentiel kandidat på tværs af de nye områder inden for kunstig intelligens, robotik og sansning.

På denne måde Jingxin Zhao og kolleger udviklede en 3-D-udskrivning direkte kohærent multi-blæk skriveteknologi til at fremstille en alt-i-en koaksial solid-state FASC-enhed med en ultrahøj arealenergi eller effekttæthed, med multi-blæk. Den kompakte struktur af den trykte koaksiale FASC-enhed omfavnede fremragende fleksibilitet og mekanisk stabilitetsydelse, der var overlegen i forhold til traditionel arkitektur asymmetriske superkondensatorer. 3-D-udskrivnings koaksiale FASC-enheder tjente som energilagringsenheder efter behov til at drive pinwheel, pumpe prototyper, elbiler, og tryksensorer med forbedret ydeevne. Resultaterne tilbyder en meget alsidig løsning til at designe højtydende, on-demand, fiberbaserede energilagringsenheder til avancerede bærbare applikationer.

© 2021 Science X Network