Fiberformade superkondensatorer är en önskvärd högpresterande energilagringsteknik för bärbar elektronik. Den traditionella metoden för tillverkning av enheter är baserad på en flerstegsmetod för att konstruera energienheter, som kan innebära utmaningar under tillverkningen, skalbarhet och hållbarhet. För att övervinna dessa restriktioner, Jingxin Zhao och ett team av forskare inom fysik, elektrokemisk energi, nanovetenskap, material, och kemiteknik i Kina, USA., och Singapore, utvecklat en allt-i-ett koaxial fiberformad asymmetrisk supercapacitor (FASC) enhet. Teamet använde direkt koherent multi-bläckskrift, tredimensionell (3-D) utskriftsteknik genom att designa den interna strukturen hos de koaxiala nålarna och reglera de reologiska egenskaperna och matningshastigheterna för multi-bläcket. Enheten levererade en överlägsen ytenergi och effekttäthet med enastående mekanisk stabilitet. Teamet integrerade den fiberformade asymmetriska superkondensatorn (FASC) med mekaniska enheter och trycksensorer för att realisera högpresterande och självdrivna mekaniska enheter för att övervaka system. Verket är nu publicerat på Vetenskapens framsteg .

Texturbaserad bärbar elektronik

Framsteg inom textilbaserad bärbar elektronik kan uppnås med avancerade lagringsenheter för fibrös energi med utmärkt stickbarhet, flexibilitet och hög mekanisk stabilitet. Fiberformade asymmetriska superkondensatorer (FASC) används ofta för att utveckla bärbar elektronik som en lovande fiberformad energilagringsenhet på grund av deras höga effekttäthet, lång cykelstabilitet, utmärkt reversibilitet och förbättrad energitäthet. I det här arbetet, Zhou et al. integrerad högkapacitets 3D-utskriftsteknologi för direktbläckskrivning för att konstruera den allt-i-ett koaxiala FASC-enheten med kompakta interna strukturer. För detta, de designade enheten rationellt med hjälp av 3D-utskriven direkt, koherent multi-bläckskrivning (DCMW). Teamet designade också den interna strukturen av flerkärniga skalnålar genom att laddningsmatcha olika elektroder, där de reologiska egenskaperna hos multi-bläcken matchade varandra från det innersta lagret till det yttersta lagret under 3-D-utskrift.

Enheten innehöll en kompakt fyrskiktsstruktur som förkortade jondiiffusionsvägen för att förbättra den elektrokemiska prestandan och den mekaniska hållbarheten hos enheten under böjning. Teamet producerade en proof-of-concept FASC-enhet med nanotrådar av vanadinoxid/flerväggiga kolnanorör (MWCNT) och vanadinnitrid (VN) nanotrådar med flerväggiga kolnanorör, som positiva och negativa elektroder, respektive. Konstruktionens prestanda överträffade de befintliga superkondensatorenheterna för 3D-utskrift för att erbjuda en universell strategi för att skapa on-demand lagringsenheter för fibrös energi inom bärbar elektronik.

Tillverkningsprocessen

Forskarna syntetiserade sedan de positiva och negativa elektroderna för att bygga FASC-enheten med hög energitäthet. Därefter, de avslöjade mikrostrukturen och morfologin hos proverna med hjälp av fältemissionsskanningselektronmikroskopi (FESEM) och transmissionselektronmikroskopi (TEM). De använde sedan röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) för att undersöka ytelementen i de preparerade proverna. Teamet använde som tryckta koherenta multi-bläck och polyvinylalkohol (PVA) med bra reologiskt beteende som 3-D-utskrivbara bläck för att uppnå den koaxiala FASC-enheten. De avstämde bläckens sammansättning och reologibeteende för framgångsrik extrudering för att bibehålla ett självbärande mönster. Teamet förklarade bläckbeteendena med Herschel-Bulckley-modellen, där viskositetsvärdena var lämpliga för tryckning.

Teamet karakteriserade tvärsnitten av bilder med svepelektronmikroskopi (SEM) av de olika varianterna av positiva och negativa elektroder som utvecklats i labbet. De bekräftade fassammansättningen och kemiska tillstånd för materialets bläck genom att använda röntgenpulverdiffraktion, Röntgenfotoelektronspektroskopi och Ramanspektra. Teamet observerade SEM-bilden i tvärsnitt av den koaxiala FASC-enheten för 3D-utskrift och skrev även ut en mängd komplicerade mönster med 3-D-utskrifts-DCMW-teknik för att demonstrera kompetensen hos installationen för att bilda 3D-utskrivna koaxiala FASC-enheter med hög noggrannhet och skalbarhet. Resultaten av stress-töjningsprestanda visade utmärkt flexibilitet och mekanisk styrka hos de tryckta fiberelektroderna och enheterna. Teamet observerade mesoporstrukturerna hos de positiva och negativa elektrodfibrerna på basis av porstorleksfördelningen, vilket gynnade transporten och diffusionen av elektrolytjoner under den snabba laddnings-/urladdningsprocessen.

Integrera den koaxiala FASC-enheten för 3D-utskrift i en bärbar enhet.

För att förverkliga den koaxiala FASC-enheten för 3D-utskrift med hög energitäthet för en bärbar enhet, Zhou et al. valde de exakta elektrokemiska prestanda för de positiva och negativa elektroderna via laddningsmatchning. Den som tryckta koaxiala FASC-enheten omfattade enastående elektrokemisk prestanda och visade en hög arbetsspänning på 1,6 V. Teamet bedömde den elektrokemiska prestandan hos den tillverkade 3-D-utskriftskoaxialenheten med hjälp av galvanostatisk laddning/urladdning (GCD) och elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) ). Resultaten avslöjade det önskade kapacitiva beteendet för den färdigställda FASC-enheten. Den specifika kapacitansen för hela enheten överträffade de flesta av de konventionella fiberformade superkondensatorerna. För att demonstrera genomförbarheten av att driva de elektroniska enheterna, Zhou et al utvecklade en fulladdad koaxial FASC-enhet för 3D-utskrift i form av en drake för att lysa upp en 1,5 V röd lysdiod (LED).

Konstruera ett självdrivet och självgående system för energilagring och omvandling

Forskarna integrerade sedan FASC-enheterna med en solcell och elmotor för att realisera ett självdrivet system för att omvandla solenergi till elektrisk energi och mekanisk energi. Den som tillverkade 3-D-utskriftskoaxiala FASC-enheten gav ström till trycksensorn i installationen baserad på bioinspirerad multiscale strukturerad polydimetylsiloxan (PDMS) och polypyrollestämplar på grund av existensen av multiscale-arkitekturen. Teamet observerade inte prestandaförsämring efter 600 lastnings-/avlastningscykler för att visa enhetens utmärkta cykelstabilitet. Den allt-i-ett koaxiala solid-state FASC-enheten med hög energitäthet visade sig därför vara en potentiell kandidat inom de nya områdena för artificiell intelligens, robotik och avkänning.

På det här sättet, Jingxin Zhao och kollegor utvecklade en 3D-utskrift direkt koherent multi-bläck skrivteknik för att tillverka en allt-i-ett koaxial solid-state FASC-enhet med en ultrahög arealenergi eller effekttäthet, med multi-bläck. Den kompakta strukturen hos den tryckta koaxiala FASC-enheten omfattade enastående flexibilitet och mekanisk stabilitetsprestanda som var överlägsen asymmetriska superkondensatorer med traditionell arkitektur. De koaxiala FASC-enheterna för 3D-utskrift fungerade som energilagringsenheter på begäran för att driva pinwheel, pumpa prototyper, elbilar, och trycksensorer med förbättrad prestanda. Resultaten erbjuder en mycket mångsidig lösning för att designa högpresterande, på begäran, fiberbaserade energilagringsenheter för avancerade bärbara applikationer.

© 2021 Science X Network