In 3D định hình lại quy trình sản xuất thiết bị năng lượng trên toàn bộ quá trình tạo ra, chuyển đổi và lưu trữ
Một đánh giá toàn diện từ các nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Seoul đã nêu bật cách thức sản xuất bồi đắp đang chuyển đổi thiết kế và chế tạo các công nghệ năng lượng. Được công bố trên tạp chí Microsystems & Nanoengineering, nghiên cứu này phân loại những tiến bộ gần đây trong các hệ thống in 3D để tạo ra, chuyển đổi và lưu trữ năng lượng, cho thấy cách thức công nghệ bồi đắp đang cho phép các thiết bị hiệu quả hơn, nhỏ gọn hơn và chức năng hơn trong suốt vòng đời năng lượng.
Các thiết bị năng lượng thông thường thường bị hạn chế bởi các ràng buộc của sản xuất bồi đắp, bao gồm khả năng tương thích vật liệu hạn chế và độ phức tạp hình học hạn chế. Theo nghiên cứu, in 3D vượt qua những hạn chế này bằng cách cho phép kiểm soát cấu trúc phức tạp, tạo mẫu nhanh và chế tạo có thể mở rộng ở cấp độ vi mô và nano. Những khả năng này đang chứng tỏ là thiết yếu cho việc phát triển các giải pháp năng lượng hiệu suất cao, dành riêng cho ứng dụng.
Sản xuất bồi đắp đang định hình lại tương lai của ngành năng lượng, bao gồm hạt nhân, năng lượng tái tạo, dầu khí, máy móc tua bin, v.v. Ưu điểm của Sản xuất bồi đắp: Năng lượng là sự kiện trực tuyến kéo dài một ngày, quy tụ các chuyên gia và ngành công nghiệp. Lời kêu gọi diễn giả hiện đã mở.
Những đột phá lấy cảm hứng từ sinh học trong sản xuất năng lượng
Về sản xuất năng lượng, các nhà nghiên cứu đã tận dụng công nghệ in 3D để phát triển pin nhiên liệu điện phân polymer lấy cảm hứng từ phổi (PEFC) với mật độ công suất cao hơn 30% và các lớp khuếch tán khí titan giống xương, giúp tăng hiệu suất lên 15%. Trong các ứng dụng năng lượng mặt trời, điện cực lưới bạc được chế tạo bằng phương pháp viết mực trực tiếp (DIW) đã đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng 26,47%, trong khi các thiết kế in FDM lấy cảm hứng từ nghệ thuật gấp giấy origami hỗ trợ pin quang điện linh hoạt, có thể đeo được.
Kiến trúc trường dòng chảy in 3D lấy cảm hứng từ phổi và mô phỏng xương cho pin nhiên liệu. Hình ảnh qua Son và cộng sự, Microsystems & Nanoengineering
Pin nhiên liệu, hệ thống phân tách nước và pin nhiên liệu vi sinh cũng được hưởng lợi từ kiến trúc xốp in 3D, giúp cải thiện khả năng vận chuyển khối lượng và tăng diện tích bề mặt hoạt động. Theo các tác giả, những tối ưu hóa về cấu trúc này chịu trách nhiệm trực tiếp cho sự gia tăng đáng kể về điện áp, hiệu suất và khả năng mở rộng.
Cấu trúc pin quang điện co giãn lấy cảm hứng từ nghệ thuật gấp giấy origami. Hình ảnh từ Son và cộng sự, Microsystems & Nanoengineering.
Thiết bị chuyển đổi năng lượng chuyển sang 3D
Sản xuất bồi đắp đang thúc đẩy những đổi mới trong các hệ thống áp điện, điện ma sát và nhiệt điện. Sử dụng công nghệ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP), các nhà nghiên cứu đã chế tạo các siêu vật liệu áp điện với các phản ứng dị hướng có thể lập trình, loại bỏ nhu cầu phân cực sau in. Các cấu trúc phân cấp được chế tạo thông qua FDM và DIW đã cho phép các máy phát điện nano điện ma sát (TENG) có hiệu suất được cải thiện đáng kể.
Đối với máy phát điện nhiệt điện (TEG), các hình dạng in 3D phù hợp cho phép tiếp xúc nhiệt tốt hơn với các bề mặt cong, tăng cường khả năng thu năng lượng từ các nguồn như ống xả hoặc cơ thể người. Nghiên cứu này nhấn mạnh các mạng vi mô lõi-vỏ và kiến trúc dựa trên CNT với giá trị hệ số công trạng (ZT) đạt 1,09, vượt trội hơn nhiều loại TEG được chế tạo thông thường.
Các siêu vật liệu áp điện và cấu trúc nhung mao điện ma sát được in 3D để tăng cường chuyển đổi năng lượng. Hình ảnh từ Son và cộng sự, Microsystems & Nanoengineering.
Giải pháp lưu trữ với cấu trúc thông minh
Trong lĩnh vực lưu trữ, pin và siêu tụ điện in 3D đang đạt được những bước tiến đáng kể. Kỹ thuật DIW và DLP đã cho phép tạo ra các kiến trúc điện cực xốp, với SLA cho phép thiết kế điện cực đạt dung lượng diện tích lên đến 3,6 Ah/g. Anode kẽm vi mạng cung cấp hiệu suất không có dendrite, và siêu tụ điện được chế tạo bằng graphene aerogel và điện cực octet-truss in DLP đã đạt được điện dung diện tích 207,9 F/cm². Những cấu trúc này cũng mang lại khả năng phục hồi cơ học được cải thiện.
Một số hệ thống pin thậm chí còn được thiết kế như các thành phần chịu lực, báo hiệu sự chuyển dịch sang các nguồn năng lượng đa chức năng được tích hợp trực tiếp vào các thành phần cấu trúc.
Sơ đồ minh họa quy trình tổng hợp và độ xốp nano, micro và macro. Hình ảnh từ Son và cộng sự, Microsystems & Nanoengineering.
Vẫn còn nhiều thách thức, nhưng động lực đang tăng lên
Những thách thức chính bao gồm phát triển vật liệu in hiệu suất cao, tăng cường độ bền cơ học, cải thiện khả năng in đa vật liệu và in lai, và mở rộng quy mô sản xuất. Các tác giả lưu ý sự thống trị của các kỹ thuật FDM, DIW và DLP do tính dễ tiếp cận và linh hoạt của chúng, nhưng nhấn mạnh rằng việc áp dụng rộng rãi hơn sẽ đòi hỏi phải mở rộng phạm vi vật liệu in và cải tiến các phương pháp sản xuất.
Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh tiềm năng của các hệ thống in lai kết hợp nhiều phương pháp AM để chế tạo các thiết bị năng lượng tích hợp hoàn toàn.
Các phương pháp in 3D tiên tiến thúc đẩy đổi mới năng lượng
Các công nghệ in 3D mới nổi đang nhanh chóng mở rộng khả năng chế tạo các thiết bị năng lượng thế hệ tiếp theo thiết bị năng lượng ion. In 3D thể tích, bao gồm hệ thống ảnh ba chiều dựa trên MEMS, cho phép chế tạo gần như ngay lập tức các hình dạng phức tạp lý tưởng cho pin nhiên liệu và vi lưu chất.
Đùn dạng viên đang được ưa chuộng để sản xuất các bộ phận quy mô lớn, tiết kiệm chi phí, đặc biệt phù hợp với vỏ pin hoặc chất nền siêu tụ điện. Ở cấp độ vi cấu trúc, FDM pha trộn (b-FDM) cho phép kiểm soát chính xác các gradient vật liệu, cho phép các thiết bị năng lượng có các đặc tính điện và nhiệt được điều chỉnh.
Trong khi đó, những tiến bộ trong công nghệ tổng hợp bột laser (LPBF), chẳng hạn như hệ thống FusionS bột kín của ADDiTEC, đang nâng cao chất lượng và độ an toàn khi in kim loại hiệu suất cao được sử dụng trong pin nhiên liệu hydro và hệ thống năng lượng nhiệt.
Những cải tiến này làm nổi bật cách các kỹ thuật AM đang phát triển đang mở ra những ranh giới mới trong nghiên cứu năng lượng và tính bền vững của ngành công nghiệp.
