Università del Texas a El Paso: gli elettrodi stampati 3D mostrano la promessa tramite i processi DLP
In “Elettrodi di architettura 3D per applicazioni di accumulo dell’energia”, Seong hyeon Park esplora la domanda di imbrigliare e mantenere l’energia, e in particolare sulla micro scala. Sebbene siano stati creati dispositivi micro scala per dispositivi elettronici più piccoli, ci sono difficoltà a causa del basso carico di materiale per unità di superficie sul substrato. Park vede gli elettrodi stampati in 3D, con un elevato rapporto di aspetto e un’architettura porosa, come soluzione a questo problema, che porta a prestazioni migliori in generale e una maggiore soddisfazione del cliente a livello globale.
Gli effettivi processi di produzione per rendere semplice l’elettronica 3D sono stati carichi di problemi quali spese, complicazioni nella produzione, mancanza di efficienza, tossicità da materiali di incisione e altro ancora. Con la stampa DLP, molti dei problemi vengono superati in quanto non richiede supporto, è conveniente e la produzione è utile.
“Con questi vantaggi, la stampa DLP si è rivelata un metodo promettente per fabbricare elettrodi 3D. Uno dei motivi principali per cui la stampa DLP non viene riportata molto per la produzione di elettrodi 3D è la limitazione del materiale, correlata al meccanismo della stampa DLP “, afferma l’autore.
“La stampa DLP utilizza la luce UV per polimerizzare la resina liquida costituita da un monomero, oligomero e foto-iniziatore, e il modello irradiato viene polimerizzato, che converte la catena più corta (monomero) in una catena reticolata più lunga (polimero), formando una rete 3D mediante polimerizzazione radicalica. Tuttavia, questi materiali resinosi non sono solitamente conduttivi e i prodotti finali sono polimeri non conduttivi. Pertanto, per stampare gli elettrodi sono stati necessari materiali conduttivi per la stampa DLP. Come approccio per sviluppare una struttura 3D conduttiva, sono stati introdotti materiali compositi che hanno una combinazione di resina e riempitivi conduttivi. Nitrato di argento (AgNO3) con resina composita a base di polietilenglicole diacrylate (PEGDA) [17] (500 KΩ) e nanotubi di carbonio a più pareti (MWCNT) con resina acrilica (2. 7 × 10-2 S / m) [18] (4 × 10-6 S / m) [19] sono stati segnalati. Nonostante tutti questi sforzi, queste resistenze elettriche sono troppo alte, o le conduttività sono troppo basse per essere utilizzate come elettrodi 3D per i supercondensatori. “
Park spiega che, se questi problemi sono stati risolti, DLP potrebbe offrire un grande potenziale negli elettrodi di stampa 3D con i seguenti vantaggi:
Aumentare il carico di materiale attivo nell’area unitaria con una minima perdita di prestazioni,
Risparmio di tempo, produzione economicamente vantaggiosa in ambiente operativo
Realizzazione di progetti di elettrodi complessi su misura che possono aumentare l’area superficiale o la stabilità meccanica.
Regolazione della porosità mediante progettazione 3D per diffusione elettrolitica.
Park sottolinea che sono stati creati pseudo-condensatori per potenziare i micro-supercondensatori (MSC), ma questi materiali devono essere in grado di gestire sia le correnti ioniche che quelle elettroniche. I ricercatori stanno usando materiali nanostrutturati 3D per superare i problemi attuali, introducendo materiale dalle nanoparticelle ai nanofiori. La densità energetica delle MSC potrebbe anche aumentare a causa delle nanostrutture. Sono stati anche introdotti MSC stampati in 2D per aumentare la tensione degli elettrodi quando sono collegati mediante progettazione al computer.
“Extrusion printing (EP), o direct ink writing (DIW), è uno dei metodi di stampa 3D più promettenti con numerosi vantaggi come la flessibilità nella selezione dei materiali, il basso costo, il semplice processo di stampa senza post-elaborazione”, afferma Park. “La flessibilità della selezione dei materiali sugli elettrodi MSC potrebbe essere più enfatizzata perché possono essere utilizzati anche materiali con superficie elevata come CNT, grafene e pseudo materiale.”
L’intasamento è stato un grosso problema negli elettrodi di stampa 3D, tuttavia, interrompendo la fabbricazione delle parti. Park vede la stampa aerosol jet come un metodo possibile che migliorerebbe su questo tema, e gli elettrodi stampati in 3D per le micro-batterie sono stati creati con successo.
“Le strutture gerarchiche conduttive 3D potrebbero anche essere applicate negli elettrodi MSC”, afferma Park. “L’elevata area superficiale dalla struttura gerarchica aumenta la capacità delle MSC avendo EDLC superiore e una vigorosa reazione elettrochimica. L’alta conduttività può anche trasportare gli elettroni in modo efficace. “
In definitiva, i ricercatori hanno convenuto che la personalizzazione degli elettrodi stampati 3D è possibile quando sono fatti di complesse strutture reticolari.
“Il design del traliccio contribuisce alla proprietà durevole mentre viene pirolizzato, con il risultato di mantenere le sue strutture”, afferma Park.
“È possibile ridurre le dimensioni della struttura degli elettrodi mediante stampante DLP ad alta risoluzione e metodo di pirolisi, generando una struttura gerarchica macroporosa che può avere un’area superficiale e dimensioni ideali per la diffusione elettrolitica e le sue prestazioni elettrochimiche possono essere significativamente migliorate dalla deposizione di materiali elettrochimici attivi, “Ha concluso Park.
