织物超级电容器的直接相干多墨印刷
纤维状超级电容器是可穿戴电子产品理想的高性能储能技术。传统的设备制造方法是基于多步骤方法来构建能源设备，这可能会在制造、可扩展性和耐用性方面带来挑战。为了克服这些限制，赵晶新和、和新加坡的物理、电化学能源、纳米科学、材料和化学工程的科学家团队开发了一种一体式同轴纤维状非对称超级电容器(FASC)设备。该团队通过设计同轴针的内部结构和调节流能，采用直接相干多墨书写、三维(3-D)打印技术和多墨的进给速度。该设备提供了卓越的面能量和功率密度以及出色的机械稳定性。该团队将纤维状非对称超级电容器 (FASC) 与机械单元和压力传感器集成在一起，以实现高性能和自供电机械设备来监控系统。这项工作现在发表在Science Advances 上。
基于纹理的可穿戴电子产品
先进的纤维储能设备具有出色的可编织性、柔韧性和高机械稳定性，可以实现基于纺织品的可穿戴电子设备的进步。纤维状非对称超级电容器(FASC)由于其高功率密度、长循环稳定性、优异的可逆性和更高的能量密度，被广泛用于开发可穿戴电子设备，作为一种有前途的纤维状储能装置。在这项工作中，周等人。集成高通量3D打印直接墨写技术构建内部结构紧凑的一体式同轴FASC设备。为此，他们使用 3D 打印的直接连贯多墨水书写 (DCMW) 合理设计了该设备。该团队还通过对不同电极进行电荷匹配来设计多核壳针的内部结构，在 3D 打印过程中，多墨水的流变特性从最内层到最外层相互匹配。
该器件包含紧凑的四层结构，缩短了离子扩散路径，提高了器件在弯曲下的电化学性能和机械耐久性。该团队生产了一种概念验证 FASC 设备，其中氧化钒纳米线/多壁碳纳米管(MWCNT) 和氮化钒 (VN) 纳米线与多壁碳纳米管分别作为正极和负极。该结构的性能超越了现有的 3D 打印超级电容器设备，提供了一种通用策略，可在可穿戴电子设备中形成按需纤维储能设备。
制作过程
研究人员接下来合成了正极和负极以构建高能量密度 FASC 设备。此后，他们使用场发射扫描电子显微镜(FESEM) 和透射电子显微镜(TEM)揭示了样品的微观结构和形态。然后，他们使用X 射线光电子能谱(XPS) 来调查所制备样品的表面元素。该团队使用印刷后的相干多油墨和具有良好流变行为的聚乙烯醇(PVA) 作为 3D 可印刷油墨来实现同轴 FASC 设备。他们调整了油墨的成分和流变行为，以成功挤出以保持自支撑模式。该团队解释了墨水行为Herschel-Bulckley 模型，其中粘度值适合印刷。
该团队对实验室开发的不同正极和负极变体的扫描电子显微镜(SEM) 图像的横截面进行了表征。他们通过X射线粉末衍射、X射线光电子能谱和拉曼光谱确定了材料油墨的相组成和化学状态。. 该团队观察了 3D 打印同轴 FASC 器件的横截面 SEM 图像，并通过 3D 打印 DCMW 技术打印了各种复杂的图案，以证明该设置形成 3D 打印同轴 FASC 器件的能力高精度和可扩展性。应力应能结果表明印刷纤维电极和器件具有出色的柔韧性和机械强度。研究小组根据孔径分布观察了正负极纤维的介孔结构，这有利于快速充放电过程中电解质离子的传输和扩散。
将 3D 打印同轴 FASC 设备集成到可穿戴设备中。
为了实现可穿戴设备的高能量密度 3D 打印同轴 FASC 设备，Zhou 等人。通过电荷匹配选择正负电极的准确电化学性能。印刷的同轴 FASC 器件具有出色的电化学性能，并显示出 1.6 V 的高工作电压。该团队使用恒电流充电/放电(GCD) 和电化学阻抗谱评估了制造的 3D 打印同轴器件的电化学性能(EIS)。结果揭示了所制备的 FASC 设备所需的电容行为。整个器件的比电容超过了大多数传统的纤维状超级电容器。为了证明为电子设备供电的可行性，Zhou 等人开发了一种完全充电的 3D 打印同轴 FASC 设备，呈龙形，用于照亮 1.5 V 红色发光二极管 (LED)。
构建自供电自移动能量存储与转换系统
然后，科学家们将 FASC 设备与太阳能电池和电动机集成在一起，实现了一个自供电系统，将太阳能转换为电能和机械能。由于多尺度结构的存在，制造的 3D 打印同轴 FASC 设备为基于仿生多尺度结构化聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 和聚吡咯邮票的设置中的压力传感器提供电源。该团队在 600 次加载/卸载循环后没有观察到性能下降，以证明该设备具有出色的循环稳定性。因此，具有高能量密度的一体式同轴固态 FASC 设备被证明是人工智能、机器人和传感等新领域的潜在候选者。
通过这种方式，Jingxin Zhao 及其同事开发了一种 3D 打印直接相干多墨书写技术，以制造具有超高面能量或功率密度、多墨的一体式同轴固态 FASC 器件。印刷同轴FASC器件结构紧凑，具有出色的柔韧性和机械稳定性能，优于传统架构的非对称超级电容器。3D 打印同轴 FASC 设备用作按需储能单元，以驱动风车、泵原型、电动汽车和压力传感器，并提高性能。结果提供了一个高度通用的解决方案来设计高性能，用于高级可穿戴应用的按需光纤储能设备。
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