Tillkomsten och den ökade tillgängligheten av 3D-utskrift leder till mer anpassningsbara delar till lägre kostnader över ett spektrum av applikationer, från bärbara smarta enheter till autonoma fordon. Nu, ett forskarlag baserat på Tohoku University har 3D-printat det första protonbytesmembranet, en kritisk komponent i batterier, elektrokemiska kondensatorer och bränsleceller. Prestationen för också möjligheten till anpassade solid-state energienheter närmare verkligheten, enligt forskarna.

Resultaten publicerades i ACS Applied Energy Materials , en tidskrift från American Chemical Society.

"Energilagringsenheter vars former kan skräddarsys möjliggör helt nya möjligheter för applikationsrelaterade, till exempel, till smarta bärbara, elektronisk medicinsk utrustning, och elektroniska apparater som drönare, sa Kazuyuki Iwase, pappersförfattare och biträdande professor i professor Itaru Honmas grupp vid Institutet för multidisciplinär forskning för avancerade material vid Tohoku University. "3D-utskrift är en teknik som möjliggör realisering av sådana on-demand-strukturer."

Nuvarande 3D-utskriftstillverkning fokuserar på strukturella delar som bidrar till en slutprodukts funktion, snarare än att genomsyra delar med sin egen funktion.

"Dock, 3D-utskrift av energilagringsenheter kräver specialiserad, funktionella bläck, " Sa Iwase. "Vi utvecklade en tillverkningsprocess och syntetiserade funktionaliserat nanobläck som möjliggör realisering av kvasi-solid-state energilagringsenheter baserade på 3D-utskrift."

Teamet blandade oorganiska kiseldioxidnanopartiklar med fotohärdbara hartser och vätska som kan leda protoner, med hänförd uppmärksamhet på viskositeten hos det resulterande bläcket. Tidigare studier, forskarna sa, resulterade i bläck som inte kunde 3D-printas. Genom att blanda förhållandena mellan ingredienserna, forskarna utvecklade bläck som kunde användas i en dispenserande 3D-skrivare och fortfarande behålla sina egenskaper även efter härdning med ultraviolett bestrålning. För att testa egenskaperna, forskarna monterade ett tryckt membran mellan två kolelektronelektroder för att göra en fungerande kvasi-solid-state elektrokemisk kondensator - en nyckelkomponent som behövs för att underlätta energilagring och urladdning i elektroniska enheter.

"Eftersom vi fritt kan välja de oorganiska materialen eller hartserna för härdning, vi antar att denna teknik kan tillämpas på olika typer av kvasi-solid-state energiomvandlingsanordningar, " Sa Iwase.

"Jämfört med konventionell tillverkningsteknik, möjligheten att 3D-skriva ut sådana enheter öppnar nya möjligheter för protonledande enheter, såsom former som kan justeras för att passa de enheter de driver eller som kan anpassas till de personliga behoven hos en patient som bär en smart medicinsk apparat, " Sa Iwase.

Teamet planerar att förbättra bläckformlerna med målet att helt 3D-skriva energilagringsenheter med mer komplexa former och leta efter industriella partners som kan vara intresserade av att tillämpa denna teknik eller andra möjligheter att kommersialisera den.