Graphene là một lớp nguyên tử carbon đơn được sắp xếp theo mạng lưới tổ ong hai chiều.
Graphene được biết đến với độ dẫn điện, độ bền cơ học và độ ổn định nhiệt tuyệt vời. Những tiến bộ gần đây đã cho phép tích hợp graphene vào in 3D, cho phép tạo ra các cấu trúc tùy chỉnh kết hợp các đặc tính độc đáo của graphene với độ chính xác của sản xuất bồi đắp. Sử dụng in 3D, các cấu trúc dựa trên graphene được thiết kế tùy chỉnh có thể được chế tạo cho nhiều ứng dụng khác nhau. Phương pháp này đặc biệt có tác động trong các thiết bị lưu trữ năng lượng, chẳng hạn như pin và siêu tụ điện, nơi độ dẫn điện và diện tích bề mặt lớn của graphene giúp tăng đáng kể hiệu suất.
Sự kết hợp giữa graphene và in 3D mang đến một phương pháp sản xuất mới khác với các kỹ thuật thông thường. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác vị trí vật liệu, cho phép tạo ra các cấu trúc chắc chắn và nhẹ.
Các cấu trúc này cũng có thể có độ xốp và chức năng được tối ưu hóa, rất cần thiết để cải thiện mật độ năng lượng, tốc độ sạc-xả và hiệu quả tổng thể.
Graphene được in 3D như thế nào?
Các kỹ thuật như mô hình lắng đọng hợp nhất (FDM) và quang trùng hợp lập thể (SLA) thường được sử dụng để in 3D các vật liệu dựa trên graphene. Các phương pháp này rất phù hợp để tạo ra các hình dạng phức tạp với độ chính xác cao.
FDM hoạt động bằng cách lắng đọng các sợi nhiệt dẻo được nhúng với các hạt graphene theo từng lớp để xây dựng các cấu trúc phức tạp. Phương pháp này thường được sử dụng để sản xuất từng lớp để xây dựng các cấu trúc phức tạp. Phương pháp này thường được sử dụng để sản xuất vỏ pin của các thành phần quản lý nhiệt cho các hệ thống dự phòng nguồn điện. Các bộ phận thu được nhỏ gọn, bền và có độ bền cơ học và độ dẫn nhiệt được cải thiện, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng như vậy.
Mặt khác, SLA sử dụng quá trình quang trùng hợp để làm đông nhựa trộn với các vật liệu dựa trên graphene. Một tia laser hoặc tia cực tím tập trung làm đông cứng nhựa theo từng lớp với độ chính xác đặc biệt, tạo ra các cấu trúc mịn và chi tiết. Kỹ thuật này đặc biệt hiệu quả để tạo ra các đặc điểm tinh xảo và hình dạng điện cực được điều chỉnh, rất quan trọng để cải thiện hiệu suất của pin và siêu tụ điện.
SLA cũng được sử dụng để sản xuất vỏ cảm biến có độ chính xác cao, trong đó khả năng tạo ra các thành phần graphene dẫn điện và ổn định về mặt cơ học của nó giúp tăng cường hiệu suất của các thiết bị điện tử.
Một nghiên cứu được công bố trên Bioengineered đã nhấn mạnh rằng các điện cực dựa trên graphene được chế tạo bằng các kỹ thuật tiên tiến, cho phép kiểm soát chính xác hình dạng và cấu trúc. Điều này cho phép điều chỉnh chính xác các đặc tính như độ dẫn điện, diện tích bề mặt và độ xốp.
Những đặc điểm này rất cần thiết để tối ưu hóa khả năng lưu trữ năng lượng, đảm bảo chu kỳ sạc-xả nhanh hơn và kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Bằng cách tích hợp graphene vào in 3D, các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất có thể phát triển các hệ thống lưu trữ năng lượng phù hợp với các yêu cầu hiệu suất cụ thể
Ứng dụng graphene in 3D trong các hệ thống năng lượng
Lưu trữ năng lượng tái tạo
Graphene in 3D hỗ trợ lưu trữ năng lượng hiệu quả cho các hệ thống năng lượng mặt trời và gió, giúp quản lý các biến động trong nguồn cung cấp năng lượng. In 3D cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo ra các thiết kế tùy chỉnh, mang lại khả năng mở rộng và khả năng thích ứng trên nhiều thiết lập năng lượng tái tạo khác nhau.
Công nghệ này giảm thiểu lãng phí vật liệu, giảm chi phí sản xuất và hỗ trợ các giải pháp năng lượng bền vững với môi trường, khiến nó phù hợp với các ứng dụng năng lượng tái tạo quy mô lớn.
Hệ thống năng lượng lai
Pin và siêu tụ điện dựa trên graphene có thể được kết hợp để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng đòi hỏi cả mật độ năng lượng cao và cung cấp năng lượng nhanh. In 3D cải thiện các hệ thống này bằng cách cho phép thiết kế điện cực tùy chỉnh, đảm bảo giữ năng lượng hiệu quả và chu kỳ sạc-xả nhanh hơn. Việc tùy chỉnh cũng cho phép các hệ thống lai cân bằng dung lượng lưu trữ và cung cấp điện trong khi vẫn duy trì hiệu quả vật liệu và khả năng mở rộng.
Pin lithium-ion
Pin lithium-ion tăng cường graphene cải thiện mật độ năng lượng và tuổi thọ chu kỳ bằng cách cải thiện hình học điện cực, giúp tối ưu hóa các đường dẫn vận chuyển ion, dẫn đến giữ năng lượng tốt hơn và kéo dài tuổi thọ pin. Phương pháp này giúp giảm trọng lượng trong khi vẫn duy trì độ bền, khiến những loại pin này trở nên lý tưởng cho xe điện (EV).
Những tiến bộ trong công nghệ in 3D cũng hỗ trợ sản xuất những loại pin này tiết kiệm chi phí, với ít chất thải vật liệu hơn so với các phương pháp thông thường, góp phần vào tính bền vững về mặt kinh tế và môi trường.
Pin natri-ion
Khả năng in 3D các điện cực tùy chỉnh cho pin natri-ion giúp tối ưu hóa khả năng sạc và cường độ chu kỳ, đảm bảo lưu trữ năng lượng hiệu quả. Các phương pháp sản xuất có thể mở rộng quy mô, kết hợp với khả năng thích ứng của graphene, khiến những loại pin này trở thành giải pháp thiết thực cho nhu cầu năng lượng bền vững.
Siêu tụ điện
Siêu tụ điện được hưởng lợi đáng kể từ tính linh hoạt của graphene
