新型3D打印技术制造玻璃微型超级电容器，提升微储能性能

2024年10月16日，南极熊获悉，瑞典皇家理工学院的研究团队在《ACS Nano》杂志上发表了一项突破性研究，展示了他们利用独特的3D打印方法制造微型超级电容器（MSC）的成果。该方法显著降低了制造复杂纳米级特征所需的时间和复杂性，有望为便携式设备带来更紧凑、更节能的储能解决方案。

△硅基体上3D打印的富硅玻璃微型超级电容器 (MSC) 的特写（放大4720倍）

KTH微纳米系统教授Frank Niklaus表示：“这一进展可能会推动更紧凑、更节能的便携式设备的发展，包括自给式传感器、可穿戴设备和其它物联网应用。”

△该研究题目为“用无机富硅玻璃3D打印出具有自成型纳米颗粒的分层结构”（传送门）

技术研发背景

微型超级电容器是一种重要的储能设备，它的性能在很大程度上取决于电极的设计。为了提高电极的储能和导电性能，需要增加电极表面积并促进快速离子传输。然而，现有的制造技术难以同时满足这两个要求。

新方法解决了制造此类设备的两个关键挑战。微型超级电容器的性能很大程度上取决于其电极，电极用于存储和传导电能。因此，它们需要更大的电极表面积，并且需要纳米级通道来促进快速离子传输。KTH研究的主要作者Po-Han Huang表示，新研究利用超短激光脉冲3D 打印技术解决了这两个挑战。

△硅基底上3D打印的富硅玻璃微型超级电容器 (MSC)

为微型超级电容器的制造提供新思路

研究人员发现，通过使用超短激光脉冲，可以在一种类似玻璃的前体材料——氢硅倍半氧烷（HSQ）中同时引发两种关键反应：

●第一种反应促进自组织纳米板的形成，显著增加电极的表面积
●第二种反应将前体转化为富硅玻璃，为3D打印工艺奠定了基础

这一创新方法使得能够快速、精确地制造出具有大量开放通道的电极，从而最大限度地提升表面积并加快离子传输速度。

△研究人员发现，超短激光脉冲可以在氢硅倍半氧烷 (HSQ)（一种玻璃状前体材料）中同时引发两种反应

研究人员通过3D打印技术成功制造了微型超级电容器，并展示了它在快速充电和放电条件下的优异性能。研究结果表明，该方法不仅显著提高了电容器的性能，还具有广泛的应用前景。

Huang指出：“我们的研究成果代表了微加工技术的重大飞跃，对高性能储能设备的开发具有广泛的意义。除了微型超级电容器，我们的方法在光通信、纳米机电传感器和5D光学数据存储等领域也展现出令人兴奋的潜力。”

Niklaus教授补充道：“这项技术对现有技术具有重要意义。目前，非微型超级电容器已能收集制动能量、稳定消费电子产品电源，并优化可再生能源的能量捕获。而微型超级电容器有望进一步提升这些应用的紧凑性和效率。”