Войти

Биоразлагаемый суперконденсатор напечатали на 3D-принтере

1985
0
0
Биоразлагаемый суперконденсатор напечатали на 3D-принтере
Биоразлагаемый суперконденсатор напечатали на 3D-принтере.
Источник изображения: Aeby et al./ Advanced Materials, 2021

Швейцарские материаловеды напечатали биоразлагаемый суперконденсатор без металлов и пластика. Устройство состоит из целлюлозы и материалов на основе углерода, может питать электронные часы в течение двадцати минут, а после использования разлагается в почве за два месяца. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.

Ежегодно человечество отправляет на свалку более пятидесяти миллионов тонн всевозможных электронных устройств. Электронный мусор содержит токсичные металлы, пластик и другие опасные для окружающей среды вещества. С ростом популярности носимых сенсоров, умных татуировок и других компонентов интернета вещей проблема встанет еще острей — ведь многие такие устройства будут одноразовыми. Поэтому инженеры и материаловеды работают над созданием одноразовой электроники, которую можно было бы напечатать из доступных материалов и легко утилизировать после использования.

Густав Нистрем (Gustav Nyström) вместе со своими коллегами из Швейцарских Федеральных лабораторий материаловедения и технологий (Empa) придумал биоразлагаемый суперконденсатор без металлов и пластика, который можно напечатать на 3D-принтере.

Суперконденсатор (или ионистор) — устройство, подобное конденсатору, в котором роль обкладок выполняет двойной электрический слой на границе раздела электрод/электролит. Емкость суперконденсаторов можно наращивать, увеличивая контактную площадь электрода. Суперконденсаторы занимают промежуточное положение между стандартными конденсаторами и электрическими аккумуляторами. Они способны заряжаться быстрее аккумуляторов и при этом обладают более высокой емкостью, чем конденсаторы.

Нистрем и его коллеги, которая состоит из трех слоев — токоприемник, электрод и электролит. Все слои они наносили с помощью метода робокастинга (Direct Ink Writing). Сначала напечатали подложку из целлюлозных нановолокон и нанокристаллов, связанных с помощью глицерина, затем поверх нее нанесли слой токоприемника из частиц технического углерода и графита в матрице из шеллака. Для электродов приготовили чернила на основе наноцеллюлозы с добавками активированного угля и графита — это нужно для того, чтобы увеличить площадь двойного электрического слоя и емкость будущего суперконденсатора. Перед нанесением электролита будущие суперконденсаторы выдерживали в течение семи дней при температуре двадцать градусов Цельсия относительной влажности 65 процентов, чтобы растворитель испарялся медленно и в электродах не было трещин. Чернила для слоя электролита сделали из глицерина, наноцеллюлозы и хлорида натрия. Затем к токоприемнику приклеили контакты и присоединили готовый суперконденсатор к сети. Положительно заряженные ионы натрия начали к катоду, а отрицательно заряженные хлорид-ионы — к аноду, и у каждого электрода сформировался двойной электрический слой.


Процесс печати суперконденсатора

Источник изображения: Aeby et al./ Advanced Materials, 2021


Готовый суперконденсатор демонстрирует емкость 25,6 фарад на грамм — это немногим меньше, чем рекорд среди углеродных суперконденсаторов и в десять раз больше, чем предыдущий рекорд для конденсаторов, полностью созданных с помощью 3D-печати. Шесть устройств, соединенных последовательно после трех минут зарядки при потенциале 3 вольта могут питать электронные часы в течение двадцати минут. Устройство может работать при температуре от минус двадцати до сорока градусов Цельсия и выдерживает две тысячи циклов зарядка-разрядка, при этом емкость уменьшается менее, чем на один процент. Механическая прочность тоже оказалась на высоте — конденсатор выдержал нагрузку в двести килопаскаль, потеряв только 5 процентов емкости.

Чтобы выяснить, как будет протекать процесс разложения использованных устройств, ученые закопали их в почву. Через девять недель потеря массы составила около 50 процентов — в основном за счет целлюлозы, глицерина и органических добавок. Твердый остаток в основном состоял из углерода (в виде графита, технического углерода и нановолокон). Его можно собрать и регенерировать, но можно и оставить в почве — этот материал не токсичен и опасности для окружающей среды не представляет.

В прошлом месяце мы писали о перерабатываемом транзисторе на бумажной подложке, который разработали ученые из США. Транзистор полностью состоит из углеродных материалов: в качестве полупроводника использовали углеродные нанотрубки, в качестве диэлектрика —кристаллическую наноцеллюлозу, а проводящие контакты сделали из графена.

Наталия Самойлова

Права на данный материал принадлежат
Материал размещён правообладателем в открытом доступе
  • В новости упоминаются
Компании
Проекты
Хотите оставить комментарий? Зарегистрируйтесь и/или Войдите и общайтесь!
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ
Ежедневная рассылка новостей ВПК на электронный почтовый ящик
  • Разделы новостей
  • Обсуждаемое
    Обновить
  • 09.05 13:19
  • 1
Трамп заявил, что «хорошим стимулом» для РФ прекратить войну на Украине может стать участие в ЧМ по футболу 2026
  • 09.05 12:57
  • 193
Конкурента российского Су-75 из Южной Кореи впервые представили на выставке
  • 09.05 11:53
  • 1
Поляки выбирают: президент «здравого смысла» или личный враг Путина
  • 09.05 04:34
  • 8790
Без кнута и пряника. Россия лишила Америку привычных рычагов влияния
  • 09.05 04:18
  • 7
Индия при ударах по Пакистану использовала ракеты SCALP, авиационные бомбы Hammer, барражирующие боеприпасы - СМИ
  • 09.05 04:13
  • 30
Российские системы ПВО: первый опыт реального боевого применения
  • 08.05 19:24
  • 27
МС-21 готовится к первому полету
  • 08.05 19:13
  • 41
Командующий ВВС США в Европе о роли авиации в боевых действиях на Украине
  • 08.05 18:48
  • 2
Путин подписал договор о всеобъемлющем стратегическом партнерстве РФ и Ирана
  • 08.05 17:32
  • 146
Без пилота охота: вертолеты будут охранять небо России от дронов
  • 08.05 11:00
  • 1
Вэнс: США считают, что РФ просит по Украине слишком много, но хочет мира
  • 08.05 08:12
  • 101
«Не в пользу российской машины»: 38-й НИИИ БТ МО завершил испытания трофейной американской БМП Bradley M2A2 ODS SA
  • 08.05 00:32
  • 1
Это наша Победа
  • 07.05 21:30
  • 0
Ответ на "Латвийские настроения. Часть 1"
  • 07.05 19:32
  • 1
Неприемлемый ущерб: теория, практика и индивидуальность