I supercondensatori a forma di fibra sono una tecnologia di accumulo di energia ad alte prestazioni desiderabile per l'elettronica indossabile. Il metodo tradizionale per la fabbricazione dei dispositivi si basa su un approccio a più fasi per costruire dispositivi energetici, che possono presentare sfide durante la fabbricazione, scalabilità e durata. Per superare queste restrizioni, Jingxin Zhao e un team di scienziati in fisica, energia elettrochimica, nanoscienza, materiali, e ingegneria chimica in Cina, gli Stati Uniti., e Singapore, ha sviluppato un dispositivo a supercondensatore asimmetrico (FASC) a forma di fibra coassiale all-in-one. Il team ha utilizzato la scrittura multi-inchiostro coerente diretta, tecnologia di stampa tridimensionale (3-D) progettando la struttura interna degli aghi coassiali e regolando la proprietà reologica e le velocità di avanzamento del multi-inchiostro. Il dispositivo ha fornito un'energia areale e una densità di potenza superiori con un'eccezionale stabilità meccanica. Il team ha integrato il supercondensatore asimmetrico a forma di fibra (FASC) con unità meccaniche e sensori di pressione per realizzare dispositivi meccanici ad alte prestazioni e autoalimentati per monitorare i sistemi. L'opera è ora pubblicata su Progressi scientifici .

Elettronica indossabile basata su texture

I progressi nell'elettronica indossabile basata su tessuto possono essere ottenuti con dispositivi avanzati di accumulo di energia fibrosa con eccellente lavorabilità a maglia, flessibilità ed elevata stabilità meccanica. I supercondensatori asimmetrici a forma di fibra (FASC) sono ampiamente utilizzati per sviluppare l'elettronica indossabile come promettente dispositivo di accumulo di energia a forma di fibra a causa della loro elevata densità di potenza, stabilità in bicicletta a lungo, eccellente reversibilità e migliore densità di energia. In questo lavoro, Zhou et al. tecnologia di scrittura a inchiostro diretta di stampa 3D integrata ad alta produttività per costruire il dispositivo FASC coassiale all-in-one con strutture interne compatte. Per questo, hanno progettato razionalmente il dispositivo utilizzando la stampa 3D diretta, scrittura multi-inchiostro coerente (DCMW). Il team ha anche progettato la struttura interna degli aghi multicore-shell abbinando la carica a diversi elettrodi, dove le proprietà reologiche dei multi-inchiostri si sono abbinate tra loro dallo strato più interno allo strato più esterno durante la stampa 3D.

Il dispositivo conteneva una struttura compatta a quattro strati che accorciava il percorso di diffusione ionica per migliorare le prestazioni elettrochimiche e la durata meccanica del dispositivo sotto flessione. Il team ha prodotto un dispositivo FASC proof-of-concept con nanofili di ossido di vanadio/nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) e nanofili di nitruro di vanadio (VN) con nanotubi di carbonio a parete multipla, come elettrodi positivi e negativi, rispettivamente. Le prestazioni del costrutto hanno superato i dispositivi supercondensatori di stampa 3D esistenti per offrire una strategia universale per formare dispositivi di accumulo di energia fibrosa su richiesta all'interno dell'elettronica indossabile.

Il processo di fabbricazione

I ricercatori hanno quindi sintetizzato gli elettrodi positivo e negativo per costruire il dispositivo FASC ad alta densità di energia. Successivamente, hanno scoperto la microstruttura e la morfologia dei campioni utilizzando la microscopia elettronica a scansione a emissione di campo (FESEM) e la microscopia elettronica a trasmissione (TEM). Hanno quindi utilizzato la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) per esaminare gli elementi superficiali dei campioni preparati. Il team ha utilizzato multi-inchiostri coerenti come stampati e alcol polivinilico (PVA) con un buon comportamento reologico come inchiostri stampabili 3D per ottenere il dispositivo FASC coassiale. Hanno messo a punto la composizione e il comportamento reologico degli inchiostri per un'estrusione di successo al fine di mantenere un modello autoportante. Il team ha spiegato i comportamenti dell'inchiostro con il modello Herschel-Bulckley, dove i valori di viscosità erano adatti alla stampa.

Il team ha caratterizzato le sezioni trasversali delle immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) delle diverse varianti di elettrodi positivi e negativi sviluppate in laboratorio. Hanno confermato la composizione della fase e gli stati chimici dell'inchiostro materiale utilizzando la diffrazione a raggi X della polvere, Spettroscopia fotoelettronica a raggi X e spettri Raman. Il team ha osservato l'immagine SEM in sezione trasversale del dispositivo FASC coassiale di stampa 3D e ha anche stampato una varietà di modelli complicati con la tecnologia DCMW di stampa 3D per dimostrare la competenza della configurazione per formare dispositivi FASC coassiali stampati in 3D con elevata precisione e scalabilità. I risultati delle prestazioni di sollecitazione-deformazione hanno mostrato un'eccellente flessibilità e resistenza meccanica degli elettrodi e dei dispositivi in ​​fibra stampati. Il team ha osservato le strutture dei mesopori delle fibre degli elettrodi positivi e negativi sulla base della distribuzione delle dimensioni dei pori, che ha beneficiato il trasporto e la diffusione degli ioni elettroliti durante il processo di carica/scarica rapida.

Integrazione del dispositivo FASC coassiale di stampa 3D all'interno di un dispositivo indossabile.

Per realizzare il dispositivo FASC coassiale di stampa 3D ad alta densità di energia per un dispositivo indossabile, Zhou et al. selezionato le prestazioni elettrochimiche accurate degli elettrodi positivo e negativo tramite adattamento di carica. Il dispositivo FASC coassiale così come stampato ha abbracciato eccezionali prestazioni elettrochimiche e ha mostrato un'elevata tensione di lavoro di 1,6 V. Il team ha valutato le prestazioni elettrochimiche del dispositivo coassiale di stampa 3D fabbricato utilizzando la carica/scarica galvanostatica (GCD) e la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS ). I risultati hanno rivelato il comportamento capacitivo desiderato per il dispositivo FASC come preparato. La capacità specifica dell'intero dispositivo ha superato la maggior parte dei tradizionali supercondensatori a forma di fibra. Per dimostrare la fattibilità dell'alimentazione dei dispositivi elettronici, Zhou et al hanno sviluppato un dispositivo FASC coassiale di stampa 3D completamente carico a forma di drago per illuminare un diodo a emissione di luce rossa (LED) da 1,5 V.

Costruzione di un sistema autoalimentato e semovente per lo stoccaggio e la conversione dell'energia

Gli scienziati hanno quindi integrato i dispositivi FASC con una cella solare e un motore elettrico per realizzare un sistema autoalimentato per convertire l'energia solare in energia elettrica ed energia meccanica. Il dispositivo FASC coassiale di stampa 3D come fabbricato ha fornito alimentazione al sensore di pressione nella configurazione basata su polidimetilsilossano strutturato multiscala bioispirato (PDMS) e timbri polypyrolle a causa dell'esistenza dell'architettura multiscala. Il team non ha osservato un degrado delle prestazioni dopo 600 cicli di carico/scarico per dimostrare l'eccellente stabilità del ciclo del dispositivo. Il dispositivo FASC a stato solido coassiale all-in-one ad alta densità di energia si è quindi dimostrato un potenziale candidato nei nuovi campi dell'intelligenza artificiale, robotica e sensoristica.

In questo modo, Jingxin Zhao e colleghi hanno sviluppato una tecnologia di scrittura multi-inchiostro coerente diretta con stampa 3D per fabbricare un dispositivo FASC a stato solido coassiale all-in-one con un'energia areale ultraelevata o densità di potenza, con multi-inchiostri. La struttura compatta del dispositivo FASC coassiale stampato abbracciava una splendida flessibilità e prestazioni di stabilità meccanica superiori ai supercondensatori asimmetrici dell'architettura tradizionale. I dispositivi FASC coassiali per la stampa 3D sono serviti come unità di accumulo di energia su richiesta per azionare le girandole, prototipi di pompaggio, auto elettrica, e sensori di pressione con prestazioni migliorate. I risultati offrono una soluzione altamente versatile per progettare ad alte prestazioni, su richiesta, dispositivi di accumulo di energia basati su fibra per applicazioni indossabili avanzate.

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