Vezelvormige supercondensatoren zijn een wenselijke high-performance energieopslagtechnologie voor draagbare elektronica. De traditionele methode voor de fabricage van apparaten is gebaseerd op een meerstapsbenadering om energieapparaten te construeren, die uitdagingen kunnen opleveren tijdens de fabricage, schaalbaarheid en duurzaamheid. Om deze beperkingen te overwinnen, Jingxin Zhao en een team van natuurkundigen, elektrochemische energie, nanowetenschap, materialen, en chemische technologie in China, de VS, en Singapore, ontwikkelde een alles-in-één coaxiale vezelvormige asymmetrische supercondensator (FASC) -apparaat. Het team gebruikte direct coherent multi-inkt schrijven, driedimensionale (3-D) printtechnologie door de interne structuur van de coaxiale naalden te ontwerpen en de reologische eigenschappen en voedingssnelheden van de multi-inkt te reguleren. Het apparaat leverde een superieure oppervlakte-energie en vermogensdichtheid met uitstekende mechanische stabiliteit. Het team integreerde de vezelvormige asymmetrische supercondensator (FASC) met mechanische eenheden en druksensoren om hoogwaardige en zelfaangedreven mechanische apparaten te realiseren om systemen te bewaken. Het werk is nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Op textuur gebaseerde draagbare elektronica

Vooruitgang in op textiel gebaseerde draagbare elektronica kan worden bereikt met geavanceerde vezelachtige energieopslagapparaten met uitstekende breibaarheid, flexibiliteit en hoge mechanische stabiliteit. Vezelvormige asymmetrische supercondensatoren (FASC's) worden veel gebruikt om draagbare elektronica te ontwikkelen als een veelbelovend vezelvormig energieopslagapparaat vanwege hun hoge vermogensdichtheid, lange fietsstabiliteit, uitstekende omkeerbaarheid en verbeterde energiedichtheid. In dit werk, Zhou et al. geïntegreerde 3D-printtechnologie met hoge doorvoer en directe inktschrijftechnologie om het alles-in-één coaxiale FASC-apparaat te bouwen met compacte interne structuren. Voor deze, ze hebben het apparaat rationeel ontworpen met behulp van 3D-geprint direct, coherent multi-inkt schrijven (DCMW). Het team ontwierp ook de interne structuur van de multicore-shell naalden door verschillende elektroden op elkaar af te stemmen. waar de reologische eigenschappen van de multi-inkten tijdens 3D-printen van de binnenste tot de buitenste laag met elkaar overeenkwamen.

Het apparaat bevatte een compacte vierlaagse structuur die het iondiffusiepad verkortte om de elektrochemische prestaties en mechanische duurzaamheid van het apparaat onder buigen te verbeteren. Het team produceerde een proof-of-concept FASC-apparaat met vanadiumoxide-nanodraden/meerwandige koolstofnanobuizen (MWCNT's) en vanadiumnitride (VN) nanodraden met meerwandige koolstofnanobuizen, als positieve en negatieve elektroden, respectievelijk. De prestaties van het construct overtroffen de bestaande 3D-print supercapacitor-apparaten om een ​​universele strategie te bieden om on-demand vezelachtige energieopslagapparaten binnen draagbare elektronica te vormen.

Het fabricageproces:

De onderzoekers synthetiseerden vervolgens de positieve en negatieve elektroden om het FASC-apparaat met hoge energiedichtheid te bouwen. Daarna, ze ontdekten de microstructuur en morfologie van de monsters met behulp van veldemissie scanning elektronenmicroscopie (FESEM) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Vervolgens gebruikten ze röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) om de oppervlakte-elementen van de voorbereide monsters te onderzoeken. Het team gebruikte as-printed coherente multi-inkten en polyvinylalcohol (PVA) met goed reologisch gedrag als de 3D-printbare inkten om het coaxiale FASC-apparaat te bereiken. Ze stemden de samenstelling en het reologiegedrag van de inkten af ​​voor succesvolle extrusie om een ​​zelfdragend patroon te behouden. Het team legde het inktgedrag uit met het Herschel-Bulckley-model, waarbij de viscositeitswaarden geschikt waren om te printen.

Het team karakteriseerde de dwarsdoorsneden van scanning-elektronenmicroscopie (SEM) -beelden van de verschillende varianten van positieve en negatieve elektroden die in het laboratorium zijn ontwikkeld. Ze bevestigden de fasesamenstelling en chemische toestanden van de materiële inkt door röntgenpoederdiffractie te gebruiken, Röntgenfoto-elektronenspectroscopie en Raman-spectra. Het team observeerde het dwarsdoorsnede-SEM-beeld van het coaxiale FASC-apparaat voor 3D-printen en drukte ook een aantal gecompliceerde patronen af ​​door middel van 3D-print DCMW-technologie om de bekwaamheid van de opstelling te demonstreren om 3D-geprinte coaxiale FASC-apparaten te vormen met hoge nauwkeurigheid en schaalbaarheid. De resultaten van de spanning-rekprestaties toonden een uitstekende flexibiliteit en mechanische sterkte van de geprinte vezelelektroden en apparaten. Het team observeerde de mesoporische structuren van de positieve en negatieve elektrodevezels op basis van de poriegrootteverdeling, die het transport en de diffusie van elektrolytionen tijdens het snelle laad- / ontlaadproces ten goede kwamen.

Integratie van het coaxiale FASC-apparaat voor 3D-printen in een draagbaar apparaat.

Om het coaxiale FASC-apparaat met hoge energiedichtheid 3D-printen voor een draagbaar apparaat te realiseren, Zhou et al. selecteerde de nauwkeurige elektrochemische prestaties van de positieve en negatieve elektroden via ladingsaanpassing. Het als-gedrukte coaxiale FASC-apparaat omarmde uitstekende elektrochemische prestaties en vertoonde een hoge werkspanning van 1,6 V. Het team beoordeelde de elektrochemische prestaties van het gefabriceerde coaxiale apparaat voor 3D-printen met behulp van galvanostatische lading/ontlading (GCD) en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS ). De resultaten onthulden het gewenste capacitieve gedrag voor het als voorbereide FASC-apparaat. De specifieke capaciteit van het hele apparaat overtrof de meeste conventionele vezelvormige supercondensatoren. Om de haalbaarheid van het voeden van de elektronische apparaten aan te tonen, Zhou et al ontwikkelden een volledig opgeladen 3D-print coaxiaal FASC-apparaat in de vorm van een draak om een ​​rode lichtgevende diode (LED) van 1,5 V te verlichten.

Een zelfaangedreven en zelfbewegend systeem bouwen voor energieopslag en -conversie

De wetenschappers integreerden vervolgens de FASC-apparaten met een zonnecel en elektromotor om een ​​zelfaangedreven systeem te realiseren om zonne-energie om te zetten in elektrische energie en mechanische energie. Het als gefabriceerde coaxiale FASC-apparaat voor 3D-printen leverde stroom aan de druksensor in de opstelling op basis van bio-geïnspireerde meerschalige gestructureerde polydimethylsiloxaan (PDMS) en polypyrolle-stempels vanwege het bestaan ​​van de meerschalige architectuur. Het team heeft geen prestatievermindering waargenomen na 600 laad-/loscycli om de uitstekende cyclusstabiliteit van het apparaat aan te tonen. Het alles-in-één coaxiale solid-state FASC-apparaat met hoge energiedichtheid bleek daarom een ​​potentiële kandidaat op de nieuwe gebieden van kunstmatige intelligentie, robotica en detectie.

Op deze manier, Jingxin Zhao en collega's ontwikkelden een direct coherente multi-inktschrijftechnologie voor 3D-printen om een ​​alles-in-één coaxiaal solid-state FASC-apparaat te fabriceren met een ultrahoge oppervlakte-energie of vermogensdichtheid, met multi-inkt. De compacte structuur van het geprinte coaxiale FASC-apparaat omarmde uitstekende flexibiliteit en mechanische stabiliteitsprestaties die superieur waren aan traditionele asymmetrische supercondensatoren. De coaxiale FASC-apparaten met 3D-printen dienden als on-demand energieopslageenheden om pinwheels aan te drijven, pompen prototypes, elektrische auto's, en druksensoren met verbeterde prestaties. De resultaten bieden een zeer veelzijdige oplossing voor het ontwerpen van hoogwaardige, op aanvraag, op vezels gebaseerde energieopslagapparaten voor geavanceerde draagbare toepassingen.

© 2021 Science X Network