新型3D打印技術(shù)制造玻璃微型超級(jí)電容器，提升微儲(chǔ)能性能

2024年10月16日，南極熊獲悉，瑞典皇家理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在《ACS Nano》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，展示了他們利用獨(dú)特的3D打印方法制造微型超級(jí)電容器（MSC）的成果。該方法顯著降低了制造復(fù)雜納米級(jí)特征所需的時(shí)間和復(fù)雜性，有望為便攜式設(shè)備帶來更緊湊、更節(jié)能的儲(chǔ)能解決方案。

△硅基體上3D打印的富硅玻璃微型超級(jí)電容器 (MSC) 的特寫（放大4720倍）

KTH微納米系統(tǒng)教授Frank Niklaus表示：“這一進(jìn)展可能會(huì)推動(dòng)更緊湊、更節(jié)能的便攜式設(shè)備的發(fā)展，包括自給式傳感器、可穿戴設(shè)備和其它物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用�！�

△該研究題目為“用無機(jī)富硅玻璃3D打印出具有自成型納米顆粒的分層結(jié)構(gòu)”（傳送門）

技術(shù)研發(fā)背景

微型超級(jí)電容器是一種重要的儲(chǔ)能設(shè)備，它的性能在很大程度上取決于電極的設(shè)計(jì)。為了提高電極的儲(chǔ)能和導(dǎo)電性能，需要增加電極表面積并促進(jìn)快速離子傳輸。然而，現(xiàn)有的制造技術(shù)難以同時(shí)滿足這兩個(gè)要求。

新方法解決了制造此類設(shè)備的兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。微型超級(jí)電容器的性能很大程度上取決于其電極，電極用于存儲(chǔ)和傳導(dǎo)電能。因此，它們需要更大的電極表面積，并且需要納米級(jí)通道來促進(jìn)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(shù)解決了這兩個(gè)挑戰(zhàn)。

△硅基底上3D打印的富硅玻璃微型超級(jí)電容器 (MSC)

為微型超級(jí)電容器的制造提供新思路

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過使用超短激光脈沖，可以在一種類似玻璃的前體材料——?dú)涔璞栋胙跬椋℉SQ）中同時(shí)引發(fā)兩種關(guān)鍵反應(yīng)：

●第一種反應(yīng)促進(jìn)自組織納米板的形成，顯著增加電極的表面積
●第二種反應(yīng)將前體轉(zhuǎn)化為富硅玻璃，為3D打印工藝奠定了基礎(chǔ)

這一創(chuàng)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(fā)現(xiàn)，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(shí)引發(fā)兩種反應(yīng)

研究人員通過3D打印技術(shù)成功制造了微型超級(jí)電容器，并展示了它在快速充電和放電條件下的優(yōu)異性能。研究結(jié)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(yīng)用前景。

Huang指出：“我們的研究成果代表了微加工技術(shù)的重大飛躍，對(duì)高性能儲(chǔ)能設(shè)備的開發(fā)具有廣泛的意義。除了微型超級(jí)電容器，我們的方法在光通信、納米機(jī)電傳感器和5D光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域也展現(xiàn)出令人興奮的潛力�！�

Niklaus教授補(bǔ)充道：“這項(xiàng)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有重要意義。目前，非微型超級(jí)電容器已能收集制動(dòng)能量、穩(wěn)定消費(fèi)電子產(chǎn)品電源，并優(yōu)化可再生能源的能量捕獲。而微型超級(jí)電容器有望進(jìn)一步提升這些應(yīng)用的緊湊性和效率。”