p Ilustração esquemática do processo de fabricação de vários dispositivos FASC. Diagrama esquemático da comparação do processo de preparação do dispositivo FASC convencional com (A) paralelo, (B) torcido, (C e D) arquiteturas coaxiais, e (E) nosso desenvolvimento de dispositivo FASC coaxial de impressão tridimensional (3D) por meio de uma tecnologia de escrita multitinta coerente direta (DCMW). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6978
p Supercapacitores em forma de fibra são uma tecnologia de armazenamento de energia de alto desempenho desejável para eletrônicos vestíveis. O método tradicional para fabricação de dispositivos é baseado em uma abordagem de várias etapas para construir dispositivos de energia, que pode apresentar desafios durante a fabricação, escalabilidade e durabilidade. Para superar essas restrições, Jingxin Zhao e uma equipe de cientistas da física, energia eletroquímica, nanociência, materiais, e engenharia química na China, os EUA., e Cingapura, desenvolveu um dispositivo supercapacitor assimétrico (FASC) multifuncional em forma de fibra coaxial. A equipe usou escrita multi-tintas coerente direta, tecnologia de impressão tridimensional (3-D) projetando a estrutura interna das agulhas coaxiais e regulando a propriedade reológica e as taxas de alimentação da tinta múltipla. O dispositivo entregou uma energia de área superior e densidade de potência com excelente estabilidade mecânica. A equipe integrou o supercapacitor assimétrico em forma de fibra (FASC) com unidades mecânicas e sensores de pressão para realizar alto desempenho e dispositivos mecânicos com alimentação própria para monitorar sistemas. O trabalho agora está publicado em
Avanços da Ciência . p
Eletrônica vestível baseada em textura
p Avanços na eletrônica vestível à base de têxteis podem ser alcançados com dispositivos avançados de armazenamento de energia fibrosa com excelente capacidade de tricotagem, flexibilidade e alta estabilidade mecânica. Os supercapacitores assimétricos em forma de fibra (FASCs) são amplamente utilizados para desenvolver eletrônicos vestíveis como um dispositivo de armazenamento de energia em forma de fibra promissor devido à sua alta densidade de energia, estabilidade de ciclismo longo, excelente reversibilidade e densidade de energia aprimorada. Nesse trabalho, Zhou et al. Tecnologia de impressão direta a tinta de impressão 3D de alto rendimento integrada para construir o dispositivo FASC coaxial tudo-em-um com estruturas internas compactas. Por esta, eles projetaram racionalmente o dispositivo usando impressão direta em 3D, escrita multitinta coerente (DCMW). A equipe também projetou a estrutura interna das agulhas multicore-shell, combinando diferentes eletrodos de carga, onde as propriedades reológicas das tintas múltiplas combinam entre si da camada mais interna para a camada mais externa durante a impressão 3-D.
p Desempenho reológico das tintas como fabricadas. (A) Processo de extrusão de impressão 3D do dispositivo FASC coaxial para impressão. (B) O dispositivo FASC coaxial de impressão 3D é obtido pelo processo de solidificação subsequente. Propriedades reológicas de MWCNT puro, V2O5 NW / MWCNT, e tintas de lama VN NW / MWCNT. (C a E) Viscosidade aparente em função da taxa de cisalhamento para MWCNT puro, V2O5 NW / MWCNT, e tintas VN NWs / MWCNT, respectivamente. (F a H) Módulo de armazenamento, G ′, e módulo de perda, G ″, como uma função da tensão de cisalhamento para MWCNT puro, V2O5 NW / MWCNT, e tintas de lama VN NW / MWCNT, respectivamente. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6978
p O dispositivo continha uma estrutura compacta de quatro camadas que encurtou o caminho de difusão de íons para melhorar o desempenho eletroquímico e a durabilidade mecânica do dispositivo sob flexão. A equipe produziu um dispositivo FASC de prova de conceito com nanofios de óxido de vanádio / nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) e nanofios de nitreto de vanádio (VN) com nanotubos de carbono de paredes múltiplas, como eletrodos positivos e negativos, respectivamente. O desempenho da construção ultrapassou os dispositivos supercapacitores de impressão 3-D existentes para oferecer uma estratégia universal para formar dispositivos de armazenamento de energia fibrosa sob demanda dentro de eletrônicos vestíveis.
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O processo de fabricação
p Em seguida, os pesquisadores sintetizaram os eletrodos positivo e negativo para construir o dispositivo FASC de alta densidade de energia. Depois disso, eles descobriram a microestrutura e morfologia das amostras usando microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo (FESEM) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Eles então usaram a espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) para pesquisar os elementos de superfície das amostras preparadas. A equipe usou multitintas coerentes impressas e álcool polivinílico (PVA) com bom comportamento reológico como as tintas para impressão 3-D para obter o dispositivo FASC coaxial. Eles ajustaram a composição e o comportamento reológico das tintas para uma extrusão bem-sucedida, a fim de manter um padrão autossustentável. A equipe explicou os comportamentos da tinta com o modelo Herschel-Bulckley, onde os valores de viscosidade eram adequados para impressão.
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p Estruturas do eletrodo e dispositivo FASC coaxial de impressão 3D. (A a D) Ilustrações esquemáticas da vista em corte transversal da fibra V2O5 NW / MWCNT, V2O5 NWs / MWCNTs @ fibra de eletrólito de gel, V2O5 NWs / MWCNTs @ gel eletrólito @ fibra VN NW / MWCNT, e os suportes do dispositivo FASC coaxial de impressão 3D. As imagens de seção transversal SEM da fibra (E) V2O5 NW / MWCNT, (F) V2O5 NWs / MWCNTs @ fibra de eletrólito de gel, (G) V2O5 NWs / MWCNTs @ gel eletrólito @ fibra VN NW / MWCNT, e (H) o dispositivo FASC coaxial de impressão 3D por DCMW. (I para N) O dispositivo FASC impresso com padrões diferentes. Barras de escala, 50 μm (E e F), 100 μm (G e H), e 10 mm (I a N). Crédito da foto:(I para N) Hongyu Lu, Universidade de Tecnologia de Xi’an. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6978
Caracterização de materiais e desempenho eletroquímico flexível do dispositivo
p A equipe caracterizou as seções transversais de imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) das diferentes variantes de eletrodos positivos e negativos desenvolvidos no laboratório. Eles confirmaram a composição de fase e os estados químicos da tinta do material usando difração de pó de raios-X, Espectroscopia de fotoelétrons de raios-X e espectros Raman. A equipe observou a imagem SEM transversal do dispositivo FASC coaxial de impressão 3-D e também imprimiu uma variedade de padrões complicados pela tecnologia DCMW de impressão 3-D para demonstrar a competência da configuração para formar dispositivos FASC coaxiais impressos 3-D com alta precisão e escalabilidade. Os resultados de desempenho tensão-deformação mostraram excelente flexibilidade e resistência mecânica das fibras-eletrodos e dispositivos impressos. A equipe observou as estruturas do mesóporo das fibras do eletrodo positivo e negativo com base na distribuição do tamanho dos poros, que beneficiou o transporte e difusão de íons eletrolíticos durante o rápido processo de carga / descarga.
p Desempenho eletroquímico do dispositivo FASC coaxial de impressão 3D. (A) Diagrama esquemático do dispositivo montado. (B) Curvas de voltametria cíclica (CV) do dispositivo obtido operado sob diferentes janelas de tensão. (C) Curvas CV do dispositivo em diferentes taxas de varredura. (D) Curvas de carga / descarga galvanostática (GCD) do dispositivo em diferentes densidades de corrente. (E) Capacidade de taxa do dispositivo. (F) Comparação do desempenho eletroquímico deste dispositivo FASC coaxial de impressão 3D com dispositivos FASC anteriores (7, 10, 14, 50–56). Nota sobre a terminologia:CA, capacitância específica de área; EA, densidade de energia de área; PA, densidade de potência de área. (G) Curvas CV obtidas nos diferentes ciclos de flexão a uma taxa de varredura de 75 mV s − 1. (H) Retenção de capacitância após 5000 ciclos. (I) Fotografia de um LED vermelho de 1,5 V iluminado por um dispositivo FASC coaxial impresso em 3D totalmente carregado. Crédito da foto:(I) Hongyu Lu, Universidade de Tecnologia de Xi’an. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6978
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Integrar o dispositivo FASC coaxial de impressão 3-D em um dispositivo vestível.
p A fim de realizar o dispositivo FASC coaxial de impressão 3-D de alta densidade de energia para um dispositivo vestível, Zhou et al. selecionou os desempenhos eletroquímicos precisos dos eletrodos positivo e negativo por meio de correspondência de carga. O dispositivo coaxial FASC como impresso teve excelente desempenho eletroquímico e mostrou uma alta tensão de trabalho de 1,6 V. A equipe avaliou o desempenho eletroquímico do dispositivo coaxial de impressão 3-D fabricado usando carga / descarga galvanostática (GCD) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS ) Os resultados revelaram o comportamento capacitivo desejado para o dispositivo FASC conforme preparado. A capacitância específica de todo o dispositivo superou a maioria dos supercondensadores convencionais em forma de fibra. Para demonstrar a viabilidade de alimentar os dispositivos eletrônicos, Zhou et al desenvolveram um dispositivo FASC coaxial de impressão 3D totalmente carregado na forma de um dragão para iluminar um diodo emissor de luz vermelha (LED) de 1,5 V.
p Aplicações do sistema com alimentação própria. (A) Diagrama esquemático do sistema autoalimentado de armazenamento e conversão de energia. A energia solar é convertida em energia elétrica e depois em energia mecânica. (B) Fotografias do protótipo de bombeamento de água apenas com célula solar; menos solução é obtida sem energia extra. (C) Fotografias do protótipo de bombeamento de água com a configuração autoalimentada, incluindo dispositivo FASC baseado em chip e célula solar; mais solução é obtida com armazenamento de energia. (D) Relação entre o volume da solução de bombeamento e o tempo da célula solar e do sistema autoalimentado, respectivamente. (E) Fotografias do funcionamento de um teleférico turístico com célula solar apenas. O teleférico turístico pode percorrer uma curta distância sem armazenamento extra de energia. (F) Fotografias do funcionamento do teleférico turístico com a configuração de alimentação própria, incluindo dispositivo FASC baseado em chip e célula solar. O teleférico turístico pode percorrer longas distâncias com armazenamento de energia, demonstrando maior durabilidade. (G) Relação entre a distância percorrida e o tempo do teleférico turístico com sistema autoalimentado e célula solar apenas, respectivamente. A velocidade de funcionamento do teleférico turístico com sistema de alimentação própria é mais rápida do que apenas com célula solar. Crédito da foto:(B, C, E, e F) Jingxin Zhao, Universidade de Macau. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd6978
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Construindo um sistema autoalimentado e automotor para armazenamento e conversão de energia
p Os cientistas então integraram os dispositivos FASC com uma célula solar e um motor elétrico para criar um sistema autoalimentado para converter a energia solar em energia elétrica e energia mecânica. O dispositivo FASC coaxial de impressão 3-D como fabricado forneceu energia para o sensor de pressão na configuração com base em polidimetilsiloxano estruturado multiescalar bioinspirado (PDMS) e carimbos de polipirolle devido à existência da arquitetura multiescala. A equipe não observou degradação de desempenho após 600 ciclos de carga / descarga para demonstrar a excelente estabilidade de ciclo do dispositivo. O dispositivo FASC coaxial de estado sólido tudo-em-um com alta densidade de energia, portanto, provou ser um candidato em potencial nos novos campos da inteligência artificial, robótica e sensoriamento.
p Desta maneira, Jingxin Zhao e seus colegas desenvolveram uma tecnologia de escrita multitinta coerente direta de impressão 3-D para fabricar um dispositivo FASC coaxial de estado sólido tudo-em-um com uma energia de área ultra-alta ou densidade de potência, com tintas múltiplas. A estrutura compacta do dispositivo FASC coaxial impresso abrangia esplêndida flexibilidade e desempenho de estabilidade mecânica que era superior aos supercapacitores assimétricos de arquitetura tradicional. Os dispositivos FASC coaxiais de impressão 3-D serviram como unidades de armazenamento de energia sob demanda para impulsionar cataventos, bombeando protótipos, carros elétricos, e sensores de pressão com melhor desempenho. Os resultados oferecem uma solução altamente versátil para projetar alto desempenho, sob demanda, dispositivos de armazenamento de energia baseados em fibra para aplicações vestíveis avançadas. p © 2021 Science X Network