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

Идеальный эспрессо просчитали математически: физики вывели точное уравнение проницаемости кофейной таблетки

Каждое утро миллионы людей запускают сложный физический эксперимент. В небольшой металлической корзине — портафильтре (или, по-простому, рожке) — спрессовывается мелко...

Обзор зарядного устройства GP B423 – как распределяется мощность между слотами

Зарядные устройства для аккумуляторов формата AA и AAA обычно не вызывают особого интереса, пока не начинаешь смотреть, как они реально работают. GP B423 относится к базовому сегменту, но при...

Бозон Хиггса отвечает только за 2% массы видимой Вселенной. Откуда берется остальная?

В современной науке большой разрыв между тем, что мы знаем о мире из экспериментов, и тем, что мы можем доказать математически. Один из самых ярких примеров этого разрыва касается вопроса о том,...

История Wi‑Fi: От алгоритмов радиоастрономии до гигабитных стандартов

Wi‑Fi, который сегодня используется во всём мире, возник благодаря научным исследованиям передачи слабых радиосигналов через шумные и искажённые среды. В конце 1970-х годов инженеры австралийского...

Обзор зарядного устройства VOLTME Revo 140: 140 ватт без компромиссов

Рынок GaN-зарядок сейчас переполнен: каждый второй бренд обещает «революционную» компактность и рекордную мощность, и разобраться, кто из них реально делает качественный продукт, всё сложнее....