Los supercondensadores en forma de fibra son una tecnología de almacenamiento de energía de alto rendimiento deseable para dispositivos electrónicos portátiles. El método tradicional para la fabricación de dispositivos se basa en un enfoque de varios pasos para construir dispositivos de energía, que pueden presentar desafíos durante la fabricación, escalabilidad y durabilidad. Para superar estas restricciones, Jingxin Zhao y un equipo de científicos en física, energía electroquímica, nanociencia, materiales e ingeniería química en China, los Estados Unidos., y Singapur, desarrolló un dispositivo de supercondensador asimétrico asimétrico (FASC) con forma de fibra coaxial todo en uno. El equipo utilizó escritura multitinta coherente directa, tecnología de impresión tridimensional (3-D) mediante el diseño de la estructura interna de las agujas coaxiales y la regulación de las propiedades reológicas y las velocidades de alimentación de la tinta múltiple. El dispositivo entregó una energía de área superior y una densidad de potencia con una estabilidad mecánica sobresaliente. El equipo integró el supercondensador asimétrico en forma de fibra (FASC) con unidades mecánicas y sensores de presión para realizar dispositivos mecánicos autoalimentados y de alto rendimiento para monitorear sistemas. El trabajo ahora está publicado en Avances de la ciencia .

Electrónica portátil basada en texturas

Los avances en la electrónica portátil basada en textiles se pueden lograr con dispositivos avanzados de almacenamiento de energía fibrosa con excelente capacidad de tejido, flexibilidad y alta estabilidad mecánica. Los supercondensadores asimétricos en forma de fibra (FASC) se utilizan ampliamente para desarrollar dispositivos electrónicos portátiles como dispositivos prometedores de almacenamiento de energía en forma de fibra debido a su alta densidad de potencia. estabilidad cíclica prolongada, excelente reversibilidad y densidad energética mejorada. En este trabajo, Zhou y col. tecnología integrada de escritura de tinta directa de impresión 3D de alto rendimiento para construir el dispositivo FASC coaxial todo en uno con estructuras internas compactas. Para esto, diseñaron racionalmente el dispositivo utilizando impresión directa en 3D, escritura coherente de múltiples tintas (DCMW). El equipo también diseñó la estructura interna de las agujas de carcasa multinúcleo haciendo coincidir la carga con diferentes electrodos, donde las propiedades reológicas de las tintas múltiples coincidían entre sí desde la capa más interna a la capa más externa durante la impresión 3D.

El dispositivo contenía una estructura compacta de cuatro capas que acortaba la ruta de difusión de iones para mejorar el rendimiento electroquímico y la durabilidad mecánica del dispositivo bajo flexión. El equipo produjo un dispositivo FASC de prueba de concepto con nanocables de óxido de vanadio / nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) y nanocables de nitruro de vanadio (VN) con nanotubos de carbono de paredes múltiples, como electrodos positivos y negativos, respectivamente. El rendimiento de la construcción superó los dispositivos supercondensadores de impresión 3D existentes para ofrecer una estrategia universal para formar dispositivos de almacenamiento de energía fibrosa bajo demanda dentro de la electrónica portátil.

El proceso de fabricación

A continuación, los investigadores sintetizaron los electrodos positivos y negativos para construir el dispositivo FASC de alta densidad de energía. Después de eso, descubrieron la microestructura y morfología de las muestras utilizando microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). Luego utilizaron espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) para examinar los elementos de la superficie de las muestras preparadas. El equipo utilizó tintas múltiples coherentes impresas y alcohol polivinílico (PVA) con buen comportamiento reológico como tintas imprimibles en 3-D para lograr el dispositivo coaxial FASC. Ajustaron la composición y el comportamiento reológico de las tintas para lograr una extrusión exitosa y mantener un patrón autoportante. El equipo explicó los comportamientos de la tinta con el modelo de Herschel-Bulckley, donde los valores de viscosidad eran adecuados para la impresión.

El equipo caracterizó las secciones transversales de imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de las diferentes variantes de electrodos positivos y negativos desarrollados en el laboratorio. Confirmaron la composición de las fases y los estados químicos de la tinta del material mediante el uso de difracción de rayos X en polvo, Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X y espectros Raman. El equipo observó la imagen SEM transversal del dispositivo FASC coaxial de impresión 3D y también imprimió una variedad de patrones complicados mediante la tecnología DCMW de impresión 3D para demostrar la competencia de la configuración para formar dispositivos FASC coaxiales impresos en 3D con alta precisión y escalabilidad. Los resultados de rendimiento de tensión-deformación mostraron una excelente flexibilidad y resistencia mecánica de los electrodos y dispositivos de fibra impresos. El equipo observó las estructuras de mesoporos de las fibras de los electrodos positivos y negativos sobre la base de la distribución del tamaño de los poros, que benefició el transporte y la difusión de iones de electrolito durante el proceso de carga / descarga rápida.

Integración del dispositivo FASC coaxial de impresión 3-D dentro de un dispositivo portátil.

Para realizar el dispositivo FASC coaxial de impresión 3D de alta densidad de energía para un dispositivo portátil, Zhou y col. seleccionó las prestaciones electroquímicas precisas de los electrodos positivo y negativo mediante la adaptación de carga. El dispositivo FASC coaxial tal como se imprimió adoptó un rendimiento electroquímico sobresaliente y mostró un alto voltaje de trabajo de 1,6 V. El equipo evaluó el rendimiento electroquímico del dispositivo coaxial de impresión 3D fabricado utilizando carga / descarga galvanostática (GCD) y espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). ). Los resultados revelaron el comportamiento capacitivo deseado para el dispositivo FASC preparado. La capacitancia específica de todo el dispositivo superó a la mayoría de los supercondensadores convencionales en forma de fibra. Para demostrar la viabilidad de alimentar los dispositivos electrónicos, Zhou et al desarrollaron un dispositivo FASC coaxial de impresión tridimensional completamente cargado en forma de dragón para iluminar un diodo emisor de luz (LED) rojo de 1,5 V.

Construcción de un sistema autoalimentado y auto-móvil para almacenamiento y conversión de energía.

Luego, los científicos integraron los dispositivos FASC con una celda solar y un motor eléctrico para realizar un sistema autoalimentado para convertir la energía solar en energía eléctrica y energía mecánica. El dispositivo FASC coaxial de impresión tridimensional fabricado proporcionó energía al sensor de presión en la configuración basada en polidimetilsiloxano estructurado multiescala (PDMS) bioinspirado y sellos de polipirrol debido a la existencia de la arquitectura multiescala. El equipo no observó una degradación del rendimiento después de 600 ciclos de carga / descarga para demostrar la excelente estabilidad del ciclo del dispositivo. Por lo tanto, el dispositivo FASC de estado sólido coaxial todo en uno con alta densidad de energía demostró ser un candidato potencial en los nuevos campos de la inteligencia artificial. robótica y detección.

De este modo, Jingxin Zhao y sus colegas desarrollaron una tecnología de escritura multitinta coherente directa de impresión 3D para fabricar un dispositivo FASC de estado sólido coaxial todo en uno con una energía de área o densidad de potencia ultra alta. con tintas múltiples. La estructura compacta del dispositivo FASC coaxial impreso abarcaba una flexibilidad espléndida y un rendimiento de estabilidad mecánica que era superior a los supercondensadores asimétricos de arquitectura tradicional. Los dispositivos FASC coaxiales de impresión 3-D sirvieron como unidades de almacenamiento de energía bajo demanda para impulsar molinetes, prototipos de bombeo, coches eléctricos, y sensores de presión con rendimiento mejorado. Los resultados ofrecen una solución muy versátil para diseñar de alto rendimiento, Bajo demanda, Dispositivos de almacenamiento de energía basados ​​en fibra para aplicaciones portátiles avanzadas.

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