新型3D打印技術制造玻璃微型超級電容器，提升微儲能性能
時間：2024-10-17 08:49 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2024年10月16日，瑞典皇家理工學院的研究團隊在《ACS
Nano》雜志上發表了一項突破性研究，展示了他們利用獨特的3D打印方法制造微型超級電容器（MSC）的成果。該方法顯著降低了制造復雜納米級特征所需的時間和復雜性，有望為便攜式設備帶來更緊湊、更節能的儲能解決方案。
KTH微納米系統教授Frank Niklaus表示：“這一進展可能會推動更緊湊、更節能的便攜式設備的發展，包括自給式傳感器、可穿戴設備和其它物聯網應用。”
技術研發背景
微型超級電容器是一種重要的儲能設備，它的性能在很大程度上取決于電極的設計。為了提高電極的儲能和導電性能，需要增加電極表面積并促進快速離子傳輸。然而，現有的制造技術難以同時滿足這兩個要求。
新方法解決了制造此類設備的兩個關鍵挑戰。微型超級電容器的性能很大程度上取決于其電極，電極用于存儲和傳導電能。因此，它們需要更大的電極表面積，并且需要納米級通道來促進快速離子傳輸。KTH研究的主要作者Po-Han Huang表示，新研究利用超短激光脈沖3D 打印技術解決了這兩個挑戰。
為微型超級電容器的制造提供新思路
研究人員發現，通過使用超短激光脈沖，可以在一種類似玻璃的前體材料——氫硅倍半氧烷（HSQ）中同時引發兩種關鍵反應：
●第一種反應促進自組織納米板的形成，顯著增加電極的表面積
●第二種反應將前體轉化為富硅玻璃，為3D打印工藝奠定了基礎
這一創新方法使得能夠快速、精確地制造出具有大量開放通道的電極，從而最大限度地提升表面積并加快離子傳輸速度。
研究人員通過3D打印技術成功制造了微型超級電容器，并展示了它在快速充電和放電條件下的優異性能。研究結果表明，該方法不僅顯著提高了電容器的性能，還具有廣泛的應用前景。Huang指出：“我們的研究成果代表了微加工技術的重大飛躍，對高性能儲能設備的開發具有廣泛的意義。除了微型超級電容器，我們的方法在光通信、納米機電傳感器和5D光學數據存儲等領域也展現出令人興奮的潛力。”
Niklaus教授補充道：“這項技術對現有技術具有重要意義。目前，非微型超級電容器已能收集制動能量、穩定消費電子產品電源，并優化可再生能源的能量捕獲。而微型超級電容器有望進一步提升這些應用的緊湊性和效率。”
△硅基體上3D打印的富硅玻璃微型超級電容器 (MSC) 的特寫（放大4720倍）
KTH微納米系統教授Frank Niklaus表示：“這一進展可能會推動更緊湊、更節能的便攜式設備的發展，包括自給式傳感器、可穿戴設備和其它物聯網應用。”
△該研究題目為“用無機富硅玻璃3D打印出具有自成型納米顆粒的分層結構”（傳送門）
技術研發背景
微型超級電容器是一種重要的儲能設備，它的性能在很大程度上取決于電極的設計。為了提高電極的儲能和導電性能，需要增加電極表面積并促進快速離子傳輸。然而，現有的制造技術難以同時滿足這兩個要求。
新方法解決了制造此類設備的兩個關鍵挑戰。微型超級電容器的性能很大程度上取決于其電極，電極用于存儲和傳導電能。因此，它們需要更大的電極表面積，并且需要納米級通道來促進快速離子傳輸。KTH研究的主要作者Po-Han Huang表示，新研究利用超短激光脈沖3D 打印技術解決了這兩個挑戰。
△硅基底上3D打印的富硅玻璃微型超級電容器 (MSC)
為微型超級電容器的制造提供新思路
研究人員發現，通過使用超短激光脈沖，可以在一種類似玻璃的前體材料——氫硅倍半氧烷（HSQ）中同時引發兩種關鍵反應：
●第一種反應促進自組織納米板的形成，顯著增加電極的表面積
●第二種反應將前體轉化為富硅玻璃，為3D打印工藝奠定了基礎
這一創新方法使得能夠快速、精確地制造出具有大量開放通道的電極，從而最大限度地提升表面積并加快離子傳輸速度。
△研究人員發現，超短激光脈沖可以在氫硅倍半氧烷 (HSQ)（一種玻璃狀前體材料）中同時引發兩種反應
研究人員通過3D打印技術成功制造了微型超級電容器，并展示了它在快速充電和放電條件下的優異性能。研究結果表明，該方法不僅顯著提高了電容器的性能，還具有廣泛的應用前景。Huang指出：“我們的研究成果代表了微加工技術的重大飛躍，對高性能儲能設備的開發具有廣泛的意義。除了微型超級電容器，我們的方法在光通信、納米機電傳感器和5D光學數據存儲等領域也展現出令人興奮的潛力。”
Niklaus教授補充道：“這項技術對現有技術具有重要意義。目前，非微型超級電容器已能收集制動能量、穩定消費電子產品電源，并優化可再生能源的能量捕獲。而微型超級電容器有望進一步提升這些應用的緊湊性和效率。”
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