De 3D-printmethode zou de opslag van micro-energie kunnen verbeteren

Een sleutel tot het compacter en energiezuiniger maken van draagbare apparaten ligt in de precieze nanoschaalvorm van energieopslagcondensatoren. Onderzoekers in Zweden melden dat ze de uitdaging hebben opgelost met een unieke 3D-printmethode.

Onderzoekers van het KTH Royal Institute of Technology demonstreerden een 3D-printmethode voor het vervaardigen van glazen micro-supercondensatoren (MSC’s) die de complexiteit en de tijd die nodig is om de ingewikkelde kenmerken op nanoschaal te vormen die MSC’s nodig hebben, verminderen.

De vooruitgang zou mogelijk kunnen leiden tot compactere en energiezuinigere draagbare apparaten, waaronder zelfvoorzienende sensoren, draagbare apparaten en andere Internet of Things-toepassingen, zegt Frank Niklaus, hoogleraar micro- en nanosystemen aan KTH. Hun studie was gepubliceerd in ACS Nano.

De nieuwe methode pakt twee belangrijke uitdagingen aan bij het vervaardigen van dergelijke apparaten. De prestaties van een micro-supercondensator worden grotendeels bepaald door de elektroden, die elektrische energie opslaan en geleiden. Ze hebben dus een groter elektrodeoppervlak nodig, en ze hebben kanalen op nanoschaal nodig om snel ionentransport mogelijk te maken. Po-Han Huang, hoofdauteur van het onderzoek bij KTH, zegt dat het nieuwe onderzoek beide uitdagingen aanpakt met ultrakorte laserpuls 3D-printtechnologie.

De onderzoekers ontdekten dat ultrakorte laserpulsen twee gelijktijdige reacties kunnen veroorzaken in waterstofsilsesquioxaan (HSQ), een glasachtig precursormateriaal. De ene reactie resulteert in de vorming van zelfgeorganiseerde nanoplaten, terwijl de tweede de precursor omzet in siliciumrijk glas, wat de basis vormt van het 3D-printproces. Dit maakt de snelle en nauwkeurige fabricage van elektroden met veel open kanalen mogelijk, waardoor het oppervlak wordt gemaximaliseerd en het ionentransport wordt versneld.

De onderzoekers demonstreerden de aanpak door micro-supercondensatoren in 3D te printen die goed presteerden, zelfs als ze zeer snel werden opgeladen en ontladen.

“Onze bevindingen vertegenwoordigen een aanzienlijke sprong voorwaarts in microfabricage, met brede implicaties voor de ontwikkeling van hoogwaardige apparaten voor energieopslag”, zegt Huang. “Naast MSC’s heeft onze aanpak opwindende potentiële toepassingen op gebieden als optische communicatie, nano-elektromechanische sensoren en 5D optische gegevensopslag.”

De implicaties zijn ook aanzienlijk voor technologieën die momenteel algemeen worden gebruikt. Supercondensatoren van het niet-microtype verzamelen nu al de energie die wordt gegenereerd tijdens het remmen, stabiliseren de stroomvoorziening in consumentenelektronica en optimaliseren de energieopname in hernieuwbare energie, zegt Niklaus. “Micro-supercondensatoren hebben het potentieel om deze toepassingen compacter en efficiënter te maken.”