Druckfarben auf der Basis von 3D-bedruckbaren 2D-Materialien sind vielversprechend, um Energiespeichergeräte zu verbessern

Zum ersten Mal hat ein Forscherteam der Materialabteilung und des Nationalen Graphen-Instituts der Universität Manchester Tinten unter Verwendung des 2D-Materials MXene formuliert, um interdigitalisierte 3D-gedruckte Elektroden herzustellen.

Wie in Advanced Materials veröffentlicht, wurden diese Tinten zum 3D-Drucken von Elektroden verwendet, die in Energiespeichervorrichtungen wie Superkondensatoren verwendet werden können.

MXene, ein „tonartiges“ zweidimensionales Material, das aus frühen Übergangsmetallen (wie Titan) und Kohlenstoffatomen besteht, wurde zuerst von der Drexel-Universität entwickelt. Im Gegensatz zu den meisten Tonarten weist MXene beim Trocknen eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf und ist hydrophil, so dass es leicht in wässrigen Suspensionen und Tinten dispergiert werden kann.

Graphen war das erste zweidimensionale Material der Welt, leitfähiger als Kupfer, viel stärker als Stahl, flexibel, transparent und eine Million Mal dünner als ein menschliches Haar.

Seit seiner Isolierung hat Graphen die Türen für die Erforschung anderer zweidimensionaler Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften geöffnet. Um diese einzigartigen Eigenschaften zu nutzen, müssen 2D-Materialien jedoch effizient in Geräte und Strukturen integriert werden. Der Herstellungsansatz und die Materialformulierungen sind wesentlich, um dies zu realisieren.

Dr. Suelen Barg, der das Team leitete, sagte: „Wir zeigen, dass große MXene-Flocken mit einer Dicke von wenigen Atomen und Wasser unabhängig voneinander verwendet werden können, um Tinten mit einem sehr spezifischen viskoelastischen Verhalten für den Druck zu entwickeln. Diese Tinten können direkt in freistehenden Architekturen mit einer Höhe von über 20 Schichten in 3D gedruckt werden. Aufgrund der hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit von MXene können wir mit unseren Tinten stromkollektorfreie Superkondensatoren direkt in 3D drucken. Die einzigartigen rheologischen Eigenschaften in Kombination mit der Nachhaltigkeit des Ansatzes eröffnen viele Möglichkeiten zur Erforschung, insbesondere von Energiespeichern und Anwendungen, die die funktionalen Eigenschaften von 2D MXene in kundenspezifischen 3D-Architekturen erfordern.“

Wenji und Jae, Doktoranden am Nano3D Lab der Universität, sagten: „Additive Fertigung bietet eine Möglichkeit, kundenspezifische Multi-Material-Energiegeräte zu bauen, und demonstriert die Fähigkeit, das Potenzial von MXene für die Verwendung in Energieanwendungen zu erfassen. Wir hoffen, dass diese Studie neue Wege eröffnet, um das Potenzial von MXene für den Einsatz in diesem Bereich voll auszuschöpfen.“

“Die einzigartigen rheologischen Eigenschaften in Kombination mit der Nachhaltigkeit des Ansatzes eröffnen viele Möglichkeiten zur Erforschung, insbesondere von Energiespeichern und Anwendungen, die die funktionalen Eigenschaften von 2D MXene in kundenspezifischen 3D-Architekturen erfordern.”
Dr. Suelen Barg, Materialschule

Die Leistung und Anwendung dieser Geräte hängt zunehmend von der Entwicklung und skalierbaren Herstellung innovativer Materialien ab, um deren Leistung zu verbessern.

Superkondensatoren sind Geräte, die in der Lage sind, enorme Mengen an Energie zu erzeugen und dabei viel weniger Energie verbrauchen als herkömmliche Geräte. Aufgrund ihrer ausgezeichneten Leitfähigkeit und des Potenzials, das Gewicht der Vorrichtung zu reduzieren, wurden viele Arbeiten zur Verwendung von 2D-Materialien in diesen Arten von Vorrichtungen durchgeführt.

Mögliche Anwendungen für diese Geräte sind für die Automobilindustrie, beispielsweise in Elektroautos sowie für Mobiltelefone und andere elektronische Geräte.