De komst en toegenomen beschikbaarheid van 3D-printen leidt tot meer aanpasbare onderdelen tegen lagere kosten in een spectrum van toepassingen, van draagbare slimme apparaten tot autonome voertuigen. Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van de Tohoku University heeft het eerste protonenuitwisselingsmembraan in 3D geprint, een essentieel onderdeel van batterijen, elektrochemische condensatoren en brandstofcellen. De prestatie brengt ook de mogelijkheid van aangepaste solid-state energie-apparaten dichter bij de realiteit, volgens de onderzoekers.

De resultaten zijn gepubliceerd in ACS toegepaste energiematerialen , een tijdschrift van de American Chemical Society.

"Energieopslagapparaten waarvan de vormen kunnen worden aangepast, bieden geheel nieuwe mogelijkheden voor toepassingen die verband houden met, bijvoorbeeld, naar slim draagbaar, elektronische medische apparaten, en elektronische apparaten zoals drones, " zei Kazuyuki Iwase, paper auteur en assistent-professor in de groep van professor Itaru Honma aan het Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials aan de Tohoku University. "3D-printen is een technologie die de realisatie van dergelijke on-demand structuren mogelijk maakt."

De huidige fabricage van 3D-printen richt zich op structurele onderdelen die bijdragen aan de functie van een eindproduct, in plaats van onderdelen hun eigen functie te geven.

"Echter, 3D-printen van apparaten voor energieopslag vereist gespecialiseerde, functionele inkten, " Iwase zei. "We hebben een fabricageproces ontwikkeld en gefunctionaliseerde nano-inkten gesynthetiseerd die de realisatie van quasi-solid-state energieopslagapparaten op basis van 3D-printen mogelijk maken."

Het team mengde anorganische silica-nanodeeltjes met foto-uithardbare harsen en vloeistof die protonen kan geleiden, met veel aandacht voor de viscositeit van de resulterende inkt. Eerdere studies, zeiden de onderzoekers, resulteerde in inkten die niet 3D-geprint konden worden. Door de verhoudingen van de ingrediënten te mengen, de onderzoekers ontwikkelden inkten die kunnen worden gebruikt in een dispenserende 3D-printer en die nog steeds hun eigenschappen behouden, zelfs na uitharding met ultraviolette bestraling. Om de eigenschappen te testen, de onderzoekers monteerden een bedrukt membraan tussen twee koolstofelektronenelektroden om een ​​operationele quasi-vastestof elektrochemische condensator te maken - een belangrijk onderdeel dat nodig is om energieopslag en -ontlading in elektronische apparaten te vergemakkelijken.

"Omdat we de anorganische materialen of harsen vrij kunnen kiezen voor het uitharden, we veronderstellen dat deze techniek kan worden toegepast op verschillende soorten quasi-solid-state energieconversie-apparaten, ' zei Iwase.

"Vergeleken met conventionele fabricagetechnieken, de mogelijkheid om dergelijke apparaten in 3D te printen opent nieuwe mogelijkheden voor protongeleidende apparaten, zoals vormen die kunnen worden aangepast aan de apparaten die ze aandrijven of die kunnen worden aangepast aan de persoonlijke behoeften van een patiënt die een slim medisch apparaat draagt, ' zei Iwase.

Het team is van plan de inktformules te verbeteren met als doel het volledig 3D-printen van energieopslagapparaten met complexere vormen en zoekt naar industriële partners die mogelijk geïnteresseerd zijn in het toepassen van deze techniek of andere mogelijkheden om het te commercialiseren.