Illustration schématique du processus de fabrication de divers dispositifs FASC. Schéma de principe de la comparaison du procédé de préparation du dispositif FASC classique avec (A) parallèle, (B) tordu, (C et D) architectures coaxiales, et (E) notre développement d'un dispositif FASC coaxial d'impression tridimensionnelle (3D) via une technologie d'écriture multi-encres cohérente directe (DCMW). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abd6978
Les supercondensateurs en forme de fibre sont une technologie de stockage d'énergie haute performance souhaitable pour l'électronique portable. La méthode traditionnelle de fabrication de dispositifs est basée sur une approche en plusieurs étapes pour construire des dispositifs énergétiques, qui peuvent présenter des défis lors de la fabrication, évolutivité et durabilité. Pour surmonter ces restrictions, Jingxin Zhao et une équipe de scientifiques en physique, énergie électrochimique, nanosciences, matériaux, et génie chimique en Chine, les Etats Unis., et Singapour, développé un dispositif de supercondensateur asymétrique en forme de fibre coaxiale (FASC) tout-en-un. L'équipe a utilisé une écriture multi-encres cohérente directe, technologie d'impression tridimensionnelle (3-D) en concevant la structure interne des aiguilles coaxiales et en régulant la propriété rhéologique et les vitesses d'alimentation de l'encre multiple. L'appareil a fourni une énergie surfacique et une densité de puissance supérieures avec une stabilité mécanique exceptionnelle. L'équipe a intégré le supercondensateur asymétrique en forme de fibre (FASC) avec des unités mécaniques et des capteurs de pression pour réaliser des dispositifs mécaniques haute performance et auto-alimentés pour surveiller les systèmes. L'ouvrage est désormais publié sur Avancées scientifiques .
Électronique portable basée sur la texture
Des progrès dans l'électronique portable à base de textile peuvent être réalisés avec des dispositifs de stockage d'énergie fibreux avancés avec une excellente tricotabilité, flexibilité et haute stabilité mécanique. Les supercondensateurs asymétriques en forme de fibre (FASC) sont largement utilisés pour développer des appareils électroniques portables en tant que dispositif prometteur de stockage d'énergie en forme de fibre en raison de leur densité de puissance élevée, longue stabilité à vélo, excellente réversibilité et densité énergétique améliorée. Dans ce travail, Zhou et al. technologie d'écriture directe à l'encre d'impression 3D à haut débit intégrée pour construire le dispositif FASC coaxial tout-en-un avec des structures internes compactes. Pour ça, ils ont conçu rationnellement l'appareil en utilisant l'impression directe en 3D, écriture cohérente multi-encres (DCMW). L'équipe a également conçu la structure interne des aiguilles multicœurs en faisant correspondre les charges à différentes électrodes, où les propriétés rhéologiques des encres multiples correspondaient de la couche la plus interne à la couche la plus externe lors de l'impression 3D.
Performance rhéologique des encres brutes de fabrication. (A) Processus d'extrusion par impression 3D du dispositif FASC coaxial imprimable. (B) Le dispositif FASC coaxial d'impression 3D est obtenu par un processus de solidification ultérieur. Propriétés rhéologiques du MWCNT pur, V2O5 NO/MWCNT, et les encres en suspension VN NW/MWCNT. (C à E) Viscosité apparente en fonction du taux de cisaillement pour les MWCNT purs, V2O5 NO/MWCNT, et les encres VN NWs/MWCNT, respectivement. (F à H) Module de stockage, G', et module de perte, G", en fonction de la contrainte de cisaillement pour le MWCNT pur, V2O5 NO/MWCNT, et les encres en suspension VN NW/MWCNT, respectivement. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abd6978
Le dispositif contenait une structure compacte à quatre couches qui raccourcissait le chemin de diffusion des ions pour améliorer les performances électrochimiques et la durabilité mécanique du dispositif en flexion. L'équipe a produit un dispositif FASC de preuve de concept avec des nanofils d'oxyde de vanadium/nanotubes de carbone multiparois (MWCNT) et des nanofils de nitrure de vanadium (VN) avec des nanotubes de carbone multiparois, comme électrodes positives et négatives, respectivement. Les performances de la construction ont dépassé les supercondensateurs d'impression 3D existants pour offrir une stratégie universelle pour former des dispositifs de stockage d'énergie fibreuse à la demande dans l'électronique portable.
Le processus de fabrication
Les chercheurs ont ensuite synthétisé les électrodes positives et négatives pour construire le dispositif FASC à haute densité d'énergie. Après, ils ont découvert la microstructure et la morphologie des échantillons en utilisant la microscopie électronique à balayage à émission de champ (FESEM) et la microscopie électronique à transmission (MET). Ils ont ensuite utilisé la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) pour étudier les éléments de surface des échantillons préparés. L'équipe a utilisé des multi-encres cohérentes telles qu'imprimées et de l'alcool polyvinylique (PVA) avec un bon comportement rhéologique comme encres imprimables en 3D pour réaliser le dispositif FASC coaxial. Ils ont ajusté la composition et le comportement rhéologique des encres pour une extrusion réussie afin de maintenir un motif autoportant. L'équipe a expliqué les comportements de l'encre avec le modèle Herschel-Bulckley, où les valeurs de viscosité étaient adaptées à l'impression.
Structures de l'électrode et du dispositif coaxial d'impression 3D FASC. (A à D) Illustrations schématiques de la vue en coupe de la fibre V2O5 NW/MWCNT, Fibre électrolytique V2O5 NWs/MWCNTs@gel, V2O5 NWs/MWCNTs@gel electrolyte@VN NW/MWCNT fibre, et les jambes de force du dispositif coaxial FASC d'impression 3D. Les images SEM en coupe transversale de la fibre (E) V2O5 NW/MWCNT, (F) fibre électrolytique V2O5 NWs/MWCNTs@gel, (G) V2O5 NWs/MWCNTs@gel electrolyte@VN NW/MWCNT fibre, et (H) le dispositif FASC coaxial d'impression 3D de DCMW. (I à N) Le périphérique FASC imprimé avec différents motifs. Barres d'échelle, 50 µm (E et F), 100 µm (G et H), et 10 mm (I à N). Crédit photo :(I à N) Hongyu Lu, Université de technologie de Xi'an. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abd6978 
L'équipe a caractérisé les coupes transversales des images de microscopie électronique à balayage (MEB) des différentes variantes d'électrodes positives et négatives développées en laboratoire. Ils ont confirmé la composition de phase et les états chimiques de l'encre du matériau en utilisant la diffraction de poudre aux rayons X, Spectroscopie photoélectronique aux rayons X et spectres Raman. L'équipe a observé l'image SEM en coupe transversale du dispositif FASC coaxial d'impression 3D et a également imprimé une variété de motifs compliqués par la technologie d'impression 3D DCMW pour démontrer la compétence de l'installation pour former des dispositifs FASC coaxiaux imprimés en 3D avec haute précision et évolutivité. Les résultats de performance contrainte-déformation ont montré une excellente flexibilité et résistance mécanique des électrodes à fibres et des dispositifs imprimés. L'équipe a observé les structures mésoporeuses des fibres d'électrodes positives et négatives sur la base de la distribution de la taille des pores, ce qui a favorisé le transport et la diffusion des ions électrolytiques pendant le processus de charge/décharge rapide.
Performances électrochimiques du dispositif coaxial d'impression 3D FASC. (A) Schéma de principe de l'appareil assemblé. (B) Courbes de voltamétrie cyclique (CV) du dispositif obtenu fonctionnant sous différentes fenêtres de tension. (C) Courbes CV de l'appareil à différentes vitesses de balayage. (D) Courbes de charge/décharge galvanostatique (GCD) de l'appareil à différentes densités de courant. (E) Capacité de tarification de l'appareil. (F) Comparaison des performances électrochimiques de ce dispositif FASC coaxial d'impression 3D avec les dispositifs FASC précédents (7, dix, 14, 50-56). Remarque sur la terminologie :CA, capacité spécifique à la zone ; EA, densité d'énergie surfacique; PENNSYLVANIE, densité de puissance surfacique. (G) Courbes CV obtenues aux différents cycles de flexion à une vitesse de balayage de 75 mV s-1. (H) Rétention de capacité après 5000 cycles. (I) Photographie d'une LED rouge de 1,5 V éclairée par un dispositif FASC coaxial imprimé en 3D entièrement chargé. Crédit photo :(I) Hongyu Lu, Université de technologie de Xi'an. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abd6978
Intégration du dispositif FASC coaxial d'impression 3D dans un dispositif portable.
Afin de réaliser le dispositif coaxial FASC d'impression 3-D à haute densité d'énergie pour un dispositif portable, Zhou et al. sélectionné les performances électrochimiques précises des électrodes positives et négatives via l'adaptation de charge. Le dispositif coaxial FASC tel qu'imprimé présentait des performances électrochimiques exceptionnelles et présentait une tension de fonctionnement élevée de 1,6 V. L'équipe a évalué les performances électrochimiques du dispositif coaxial d'impression 3D fabriqué à l'aide de la charge/décharge galvanostatique (GCD) et de la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS ). Les résultats ont révélé le comportement capacitif souhaité pour le dispositif FASC tel que préparé. La capacité spécifique de l'ensemble du dispositif a dépassé la plupart des supercondensateurs conventionnels en forme de fibre. Pour démontrer la faisabilité d'alimenter les appareils électroniques, Zhou et al ont développé un dispositif FASC coaxial d'impression 3D entièrement chargé en forme de dragon pour illuminer une diode électroluminescente (DEL) rouge de 1,5 V.
Applications du système auto-alimenté. (A) Diagramme schématique du système auto-alimenté de stockage et de conversion d'énergie. L'énergie solaire est convertie en énergie électrique puis en énergie mécanique. (B) Photographies du prototype de pompage d'eau avec cellule solaire uniquement ; moins de solution est obtenue sans énergie supplémentaire. (C) Photographies du prototype de pompage d'eau avec la configuration autoalimentée comprenant un dispositif FASC à puce et une cellule solaire ; plus de solution est obtenue avec le stockage d'énergie. (D) Relation entre le volume de la solution de pompage et le temps de la cellule solaire et du système auto-alimenté, respectivement. (E) Photographies du fonctionnement d'un téléphérique touristique avec cellule solaire uniquement. Le téléphérique touristique peut parcourir la courte distance sans stockage d'énergie supplémentaire. (F) Photographies du fonctionnement du téléphérique touristique avec la configuration autoalimentée comprenant un dispositif FASC à puce et une cellule solaire. Le téléphérique touristique peut parcourir de longues distances avec stockage d'énergie, démontrant une durabilité plus longue. (G) Relation entre la distance parcourue et le temps du téléphérique touristique avec système auto-alimenté et cellule solaire uniquement, respectivement. La vitesse de fonctionnement du téléphérique touristique avec système auto-alimenté est plus rapide que celle avec une cellule solaire uniquement. Crédit photo :(B, C, E, et F) Jingxin Zhao, Université de Macao. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abd6978
Construire un système auto-alimenté et auto-mobile pour le stockage et la conversion d'énergie
Les scientifiques ont ensuite intégré les dispositifs FASC à une cellule solaire et à un moteur électrique pour réaliser un système autoalimenté permettant de convertir l'énergie solaire en énergie électrique et en énergie mécanique. Le dispositif FASC coaxial d'impression 3D tel que fabriqué alimentait le capteur de pression dans la configuration basée sur des tampons polydiméthylsiloxane structurés multi-échelles bioinspirés (PDMS) et polypyrolle en raison de l'existence de l'architecture multi-échelles. L'équipe n'a pas observé de dégradation des performances après 600 cycles de chargement/déchargement pour démontrer l'excellente stabilité de cycle de l'appareil. Le dispositif FASC à semi-conducteurs coaxial tout-en-un à haute densité d'énergie s'est donc avéré un candidat potentiel dans les nouveaux domaines de l'intelligence artificielle, robotique et détection.
De cette façon, Jingxin Zhao et ses collègues ont développé une technologie d'écriture multi-encres cohérente directe d'impression 3D pour fabriquer un dispositif FASC à semi-conducteurs coaxial tout-en-un avec une énergie surfacique ou une densité de puissance ultra-élevée, avec multi-encres. La structure compacte du dispositif FASC coaxial imprimé offrait une flexibilité et des performances de stabilité mécanique splendides qui étaient supérieures aux supercondensateurs asymétriques à architecture traditionnelle. Les dispositifs coaxiaux d'impression 3D FASC ont servi d'unités de stockage d'énergie à la demande pour entraîner des moulinets, prototypes de pompage, voiture électrique, et des capteurs de pression avec des performances améliorées. Les résultats offrent une solution très polyvalente pour concevoir des sur demande, dispositifs de stockage d'énergie à base de fibres pour les applications portables avancées.
© 2021 Réseau Science X
