Ein Schlüssel, um tragbare Geräte kompakter und energieeffizienter zu machen, liegt in der präzisen nanoskaligen Form energiespeichernder Kondensatoren. Forscher in Schweden berichten, dass sie die Herausforderung mit einer einzigartigen 3D-Druckmethode gemeistert haben.
Forscher am KTH Royal Institute of Technology demonstrierten eine 3D-Druckmethode zur Herstellung von Mikro-Superkondensatoren (MSCs) aus Glas, die die Komplexität und den Zeitaufwand für die Bildung der komplizierten nanoskaligen Merkmale, die MSCs benötigen, reduziert.
Der Fortschritt könnte möglicherweise zu kompakteren und energieeffizienteren tragbaren Geräten führen, darunter autarke Sensoren, tragbare Geräte und andere Anwendungen für das Internet der Dinge, sagt Frank Niklaus, Professor für Mikro- und Nanosysteme an der KTH. Ihr Studium war veröffentlicht In ACS Nano.
Die neue Methode geht zwei zentrale Herausforderungen bei der Herstellung solcher Geräte an. Die Leistung eines Mikro-Superkondensators wird maßgeblich von seinen Elektroden bestimmt, die elektrische Energie speichern und leiten. Daher benötigen sie eine größere Elektrodenoberfläche und nanoskalige Kanäle, um einen schnellen Ionentransport zu ermöglichen. Po-Han Huang, der Hauptautor der Studie am KTH, sagt, dass die neue Forschung beide Herausforderungen mit der 3D-Drucktechnologie mit ultrakurzen Laserpulsen angeht.
Die Forscher fanden heraus, dass ultrakurze Laserpulse in Wasserstoffsilsesquioxan (HSQ), einem glasartigen Vorläufermaterial, zwei gleichzeitige Reaktionen auslösen können. Eine Reaktion führt zur Bildung selbstorganisierter Nanoplättchen, während die zweite den Vorläufer in siliziumreiches Glas umwandelt, das die Grundlage des 3D-Druckprozesses bildet. Dies ermöglicht die schnelle und präzise Herstellung von Elektroden mit vielen offenen Kanälen, wodurch die Oberfläche maximiert und der Ionentransport beschleunigt wird.
Die Forscher demonstrierten den Ansatz durch den 3D-Druck von Mikro-Superkondensatoren, die auch bei sehr schnellem Laden und Entladen eine gute Leistung zeigten.
„Unsere Ergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Mikrofabrikation dar, mit weitreichenden Auswirkungen auf die Entwicklung von Hochleistungs-Energiespeichergeräten“, sagt Huang. „Über MSCs hinaus bietet unser Ansatz spannende potenzielle Anwendungen in Bereichen wie der optischen Kommunikation, nanoelektromechanischen Sensoren und der optischen 5D-Datenspeicherung.“
Die Auswirkungen sind auch für die derzeit allgemein genutzten Technologien erheblich. Superkondensatoren vom Nicht-Mikro-Typ sammeln bereits die beim Bremsen entstehende Energie, stabilisieren die Stromversorgung in der Unterhaltungselektronik und optimieren die Energiegewinnung bei erneuerbaren Energien, sagt Niklaus. „Mikro-Superkondensatoren haben das Potenzial, diese Anwendungen kompakter und effizienter zu machen.“
Weitere Informationen:
Po-Han Huang et al., 3D-Druck hierarchischer Strukturen aus anorganischem siliziumreichem Glas mit selbstbildenden Nanogittern, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c09339