Ученые открыли способ улучшить микрохранилища энергии с помощью 3D-печати

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

В мире портативной электроники постоянный поиск компактности и энергоэффективности стимулирует развитие новых технологий. Одним из наиболее перспективных направлений является совершенствование микросуперконденсаторов (МСК) — миниатюрных устройств, способных накапливать и отдавать энергию. Недавнее исследование шведских ученых из Королевского технологического института KTH открывает новые возможности в этой области, предлагая инновационный подход к созданию МСК с помощью 3D-печати.

Наноструктуры — ключ к эффективности

Производительность МСК напрямую зависит от архитектуры их электродов. Чем больше площадь поверхности электродов и чем эффективнее транспорт ионов внутри них, тем выше емкость и скорость зарядки/разрядки устройства. Достижение необходимой наноразмерной структуры электродов — сложная технологическая задача.

3D-печать, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Лазерная 3D-печать — технология будущего

Исследователи из KTH предложили использовать технологию 3D-печати ультракороткими лазерными импульсами для создания электродов МСК с уникальными свойствами. В основе метода лежит обработка гидрогенизированного силоксана (HSQ) — стеклообразного материала, который под воздействием лазера претерпевает две важные трансформации.

Во-первых, формируются самоорганизующиеся нанопластины, увеличивающие площадь поверхности электродов. Во-вторых, HSQ превращается в стекло с высоким содержанием кремния, образуя основу для 3D-печати.

3D-печать самоорганизованных иерархических структур в неорганическом Si-богатом стекле. (a) Схематическая иллюстрация прямой записи фемтосекундным лазером внутри отлитого из капли HSQ. Стрелка внутри HSQ обозначает траекторию лазерной записи. Выбранная ориентация электрического поля E, то есть поляризация лазера, обозначена короткой двусторонней стрелкой соответствующего цвета. (b) Иллюстрация самоорганизованной иерархии ((i) 3D-архитектура, (ii) нанографит и (iii) нанопластины) внутри 3D-печатных стеклянных архитектур по схеме лазерного изготовления, показанной в (a), и после разработки в растворе KOH. (c) Увеличенный вид сверху структуры (b), иллюстрирующий, что ориентация нанопластин перпендикулярна лазерной поляризации. Нанопластины частично соединены с соседними нанопластинами, что для простоты не показано на рисунке. (d) Изображение сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и схема лазерного изготовления 3D-печатных подвесных однолинейных структур, напечатанных с различными угловыми смещениями θ между поляризацией и направлением записи. (e, f) СЭМ-изображения и схемы лазерного изготовления 3D-печатных строительных лесов (e) и подвешенного треугольника (f), демонстрирующие возможность локальной настройки ориентации наногратенов и распространения наногратенов на большие площади. (g) SEM-изображение 3D-печатных подвесных однолинейных структур, напечатанных с помощью лазерных импульсов с различной энергией от 50 до 200 нДж при одинаковой пространственной плотности входного лазерного импульса 500 импульсов/мкм
Автор: Po-Han Huang, Shiqian Chen, Oliver Hartwig, David E. Marschner, Georg S. Duesberg, Göran Stemme, Jiantong Li, Kristinn B. Gylfason and Frank Niklaus; 3D Printing of Hierarchical Structures Made of Inorganic Silicon-Rich Glass Featuring Self-Forming Nanogratings; American Chemical Society; DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09339 CC-BY 4.0 Источник: pubs.acs.org
Преимущества нового подхода

Такой метод позволяет создавать электроды с развитой системой открытых каналов, что обеспечивает максимальную площадь поверхности и быстрый транспорт ионов. В результате, напечатанные на 3D-принтере МСК демонстрируют высокую производительность даже при очень быстрых циклах зарядки/разрядки.

Перспективы и области применения

По словам авторов исследования, новый метод 3D-печати открывает широкие перспективы не только для создания высокоэффективных МСК, но и для развития других нанотехнологий. Он может найти применение в оптической связи, разработке наноэлектромеханических датчиков и даже в 5D-хранилищах оптических данных.

Зависимость структурного вида напечатанных нанографитов от количества входных лазерных импульсов. (a) СЭМ-изображения верхнего вида двух наборов одноточечных структур, изготовленных с ортогональными лазерными поляризациями (обозначены на рисунке как «E»). Каждая одноточечная структура в наборе была напечатана с помощью разного количества лазерных импульсов, при этом фокус лазера был статичен в одной точке материала. Энергия и временное разделение каждого лазерного импульса были зафиксированы на 175 нДж и 1 мс, соответственно. Оба набора одноточечных структур включают четыре одноточечные структуры, подвергнутые воздействию 1, 5, 20 и 100 лазерных импульсов, соответственно. Изображения в каждом наборе масштабированы относительно масштабной линейки на изображении 1-импульсной структуры в этом наборе. (b) СЭМ-изображение двухслойной 3D-печатной структуры в наклонном ракурсе. Нижний слой был напечатан с пространственной плотностью входных лазерных импульсов 500 импульсов/мкм, в то время как каждый блок в верхнем слое был напечатан с использованием различных плотностей входных лазерных импульсов, как указано в аннотации. Пространственная плотность входных лазерных импульсов относится к плотности импульсов в каждой написанной лазером строке, в то время как вся структура была напечатана путем наложения нескольких строк с фиксированной плотностью линий. Частота следования лазерных импульсов была зафиксирована на 50 кГц, а скорость лазерного сканирования изменялась для достижения различных плотностей лазерных импульсов. Граница раздела двух слоев обозначена пунктирной линией. Подчиненные наноразмерные структуры в блоках менее регулярные и четкие, при меньшей пространственной плотности входного лазерного импульса. (c-e) Увеличенные СЭМ-изображения боковых стенок соответствующих блоков из (b). Граница раздела между верхним и нижним слоем на каждом изображении отмечена пунктирной линией.
Автор: Po-Han Huang, Shiqian Chen, Oliver Hartwig, David E. Marschner, Georg S. Duesberg, Göran Stemme, Jiantong Li, Kristinn B. Gylfason and Frank Niklaus; 3D Printing of Hierarchical Structures Made of Inorganic Silicon-Rich Glass Featuring Self-Forming Nanogratings; American Chemical Society; DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09339 CC-BY 4.0 Источник: pubs.acs.org
Микросуперконденсаторы — шаг к миниатюризации

Сегодня суперконденсаторы уже используются в различных областях: рекуперация энергии торможения в автомобилях, стабилизация питания в электронике, оптимизация работы систем с возобновляемыми источниками энергии.

Микросуперконденсаторы, созданные с помощью новой технологии 3D-печати, позволят сделать эти системы еще более компактными и эффективными. Они станут важным элементом в развитии автономных датчиков, носимых устройств и других приложений Интернета вещей, формируя энергетическую основу для дальнейшей миниатюризации электроники.

3D-печатные микросуперконденсаторы (МСК) из Si-богатого стекла на кремниевых подложках. (a, b) СЭМ-изображения двух различных МСК, которые были напечатаны с использованием идентичных траекторий лазерной записи, но с разной поляризацией лазера, в результате чего были получены наноразмерные структуры, перпендикулярные (⊥-МСК) и параллельные (∥-МСК) вытянутому направлению вертикальных листов, частью которых они являются, соответственно. Вставки представляют собой увеличенные изображения наноразмерных структур МСК. (c) Измеренные кривые циклической вольтамперометрии (CV) 3D-печатных МСК, показанных в (a, b), и контрольной области без 3D-печатной структуры при скорости сканирования 50 В/с. (d, e) Ареалы емкости и тока, соответственно, измеренные при различных скоростях сканирования и полученные в центре потенциального окна (0,5 В) соответствующих CV-кривых. Диапазон сканирования КВ-кривых по напряжению составлял от 0 до 1 В. Пунктирные линии в (e) представляют собой экспоненциальные подгонки данных для каждого типа МСК.
Автор: Po-Han Huang, Shiqian Chen, Oliver Hartwig, David E. Marschner, Georg S. Duesberg, Göran Stemme, Jiantong Li, Kristinn B. Gylfason and Frank Niklaus; 3D Printing of Hierarchical Structures Made of Inorganic Silicon-Rich Glass Featuring Self-Forming Nanogratings; American Chemical Society; DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09339 CC-BY 4.0 Источник: pubs.acs.org
Заключение

Исследование шведских ученых демонстрирует огромный потенциал 3D-печати в создании новых материалов и устройств с уникальными свойствами. Развитие микроэнергетики — одно из ключевых направлений современной науки, и инновационные методы, подобные предложенному в KTH, играют важнейшую роль в этом процессе. Можно с уверенностью сказать, что микросуперконденсаторы, созданные с помощью 3D-печати, найдут широкое применение в самых разных областях, формируя облик технологий будущего.

0 комментариев

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Угольный фильтр в холодильнике: нужен ли он и стоит ли за него платить

Современный холодильник представляет сложную система, где воздух постоянно циркулирует для равномерного охлаждения всех продуктов. При хранении разнообразной еды в камере могут появляться...

Гидропонная ферма своими руками: создаём установку для свежей зелени на подоконнике с 3D‑принтером QIDI Max4

Свежая зелень круглый год: как собрать гидропонную систему с помощью 3D‑печати на примере QIDI Max4. Свежая зелень в доме круглый год — об этом, пожалуй, мечтают многие, и не имеет...

Роботы научились «плавать» в пространстве-времени, используя формулы Эйнштейна

Благодаря научно-фантастическим фильмам мы уже привыкли, что на основе Общей теории относительности Эйнштейна мы когда-то в далёком будущем сможем покорять пространство-время. А сейчас эту теорию...

Обзор комбо-устройства Inspector Mike S Pro – возможности комбо-устройства без лишних ожиданий

Inspector Mike S Pro это комбайн, вобравший в себя функции видеорегистратора, радар-детектора и GPS-информера в одном корпусе. Модель получила рупорную антенну с LNA-усилителем, распознавание...

Мы десятилетиями недооценивали Вселенную: астрономы обнаружили водородный туман, скрывающий настоящие размеры галактик

На протяжении многих десятилетий астрономические наблюдения строились вокруг изучения звезд. Когда исследователи направляли телескопы в космос, они фиксировали свет светящихся объектов и на основе...

Почему наличие великих рек не спасает Индию от дефицита чистой воды

Индия кажется страной, где проблем с водой быть не должно по определению. Ежегодно на её территорию выпадает около 4 000 млрд кубометров осадков. Для масштаба: это примерно одна шестая объёма...