Войти

Биоразлагаемый суперконденсатор напечатали на 3D-принтере

2030
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
  • 27.09 06:47
  • 2
Российский 350-нм фотолитограф готов к массовому производству
  • 26.09 23:22
  • 0
Комментарий к "Названа альтернатива «расточительному» «Панцирю»"
  • 26.09 22:18
  • 10633
Без кнута и пряника. Россия лишила Америку привычных рычагов влияния
  • 26.09 21:29
  • 0
Комментарий к ""Преступник" против "Молнии": Су-57 или F-35 — кто кого? (The National Interest, США)"
  • 26.09 19:33
  • 0
Комментарий к "Что стоит за призывом США к ядерному разоружению"
  • 26.09 17:37
  • 0
В Европе правят «безответственные политики, которым плевать на собственных граждан»
  • 26.09 17:14
  • 101
ChatGPT-4 и нейросети (ИИ) спешат на помощь ГШ ВС РФ и Российской армии
  • 26.09 12:12
  • 1
Что стоит за призывом США к ядерному разоружению
  • 26.09 05:31
  • 0
Комментарий на "Стала известна ценность атакованного ВСУ российского ЗРК «Бук-М3»"
  • 26.09 04:12
  • 0
Комментарий к "«Война на Украине сигнализирует о крупных потерях»: танк K2 усилят КАЗ Trophy"
  • 26.09 03:06
  • 0
О высказывании Трампа по поводу СВО
  • 26.09 02:51
  • 1
К вопросу о военно-позиционном тупике на "украинских фронтах"
  • 25.09 21:51
  • 0
Комментарий к "Боевые действия на Украине пора заканчивать (The Telegraph UK, Великобритания)"
  • 25.09 20:51
  • 0
Комментарий к "Залужный: на фронте в настоящее время тупик, как во времена «Курской авантюры»"
  • 25.09 18:47
  • 0
Ответ на "TRT на русском - Рогозин о войне: «Вот он, тупик — силы равны»"