Forscher der Königlich Technischen Hochschule (KTH) in Schweden haben eine neue 3D-Druckmethode entwickelt, die die Herstellung von Mikrosuperkondensatoren (MSCs) vereinfacht und beschleunigt. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit wurden in der Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlicht. Mit ihrer Technik konnten die Wissenschaftler hierarchische Strukturen aus anorganischem, siliziumreichem Glas 3D-drucken, das sich selbst zu Nanostrukturen organisiert. Diese Entwicklung könnte zur Herstellung energieeffizienterer tragbarer Geräte wie selbstversorgender Sensoren, tragbarer Elektronik und Anwendungen im Internet der Dinge (IoT) beitragen.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Frank Niklaus konzentrierte sich auf zwei zentrale Herausforderungen bei der Entwicklung von Mikrosuperkondensatoren: die Maximierung der Elektrodenoberfläche und die Beschleunigung des Ionentransports. Laut den Forschern bestimmt die Leistung der MSCs in erster Linie die Struktur der Elektroden, die elektrische Energie speichern und leiten. Durch die Vergrößerung der Oberfläche und die Optimierung der Kanäle für den Ionentransport hoffen die Forscher, die Energiespeicherlösungen für moderne Geräte zu verbessern.
Po-Han Huang, Co-Autor der Studie, erklärte: „Unsere Erkenntnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Mikrofabrikation dar und bieten weitreichende Anwendungsmöglichkeiten für die Entwicklung von leistungsstarken Energiespeichersystemen.“ Neben der Anwendung bei Mikrosuperkondensatoren sieht das Team auch Potenzial in Bereichen wie der optischen Kommunikation, nanoelektromechanischen Sensoren und der optischen Datenspeicherung.
3D-Druck für Mikrosuperkondensatoren
Ein wesentlicher Bestandteil der neuen Methode ist die Verwendung von Femtosekunden-Laserimpulsen. Diese lösen gleichzeitig zwei Reaktionen im Ausgangsmaterial, dem glasähnlichen Siliziumvorläuferstoff Hydrogen Silsesquioxan (HSQ), aus. Während eine Reaktion selbstorganisierte Nanoplatten bildet, wird das Ausgangsmaterial gleichzeitig in siliziumreiches Glas umgewandelt, das als Grundlage für den 3D-Druckprozess dient. Dieser Ansatz ermöglicht eine schnelle und präzise Fertigung von Elektroden mit offenen Kanälen, was die Oberfläche der Elektroden vergrößert und den Ionentransport beschleunigt.
Die mit dieser Methode hergestellten Mikrosuperkondensatoren weisen eine hohe areale Kapazität von 1 mF/cm² auf und funktionieren auch bei extrem schnellen Lade- und Entladevorgängen zuverlässig. Sie halten hohen Scangeschwindigkeiten von bis zu 50 V/s stand, was ihre Eignung für verschiedene Energiespeicheranwendungen unterstreicht.
Laut Professor Niklaus sind die Auswirkungen dieser Forschung auf neue Technologien erheblich: „Mikrosuperkondensatoren haben das Potenzial, diese Anwendungen kompakter und effizienter zu machen.“ Die Ergebnisse sind auch relevant für die Energiegewinnung und -stabilisierung in Bereichen wie Unterhaltungselektronik, erneuerbare Energien und Automobilsysteme, in denen bereits größere Superkondensatoren verwendet werden.
Abschließend forderte das Team dazu auf, die Potenziale dieser neuen Methode weiter zu erforschen, um die Leistungsfähigkeit und Kompaktheit moderner Energiespeichergeräte zu steigern.