Ny 3D-printproces tilbyder nye muligheder for energilagringsdesign

UNSW ingeniører har udviklet en proces til at udskrive solid-state polymer elektrolytter i enhver ønsket form til brug i energilagring.

Forskerholdet fra School of Chemical Engineering ledet af professor Cyrille Boyer, herunder Dr. Nathaniel Corrigan og Kenny Lee - siger, at 3D-printprocessen af ​​sådant materiale kan være særlig nyttig i fremtidige medicinske anordninger, hvor små, indviklet designet energilager tilbyder en række af fordele.

Solid-state elektrolytter er en nøglekomponent i solid state-batterier, selvom de traditionelt har lidt under dårlig ydeevne på grund af lav ionisk ledningsevne eller dårlige mekaniske egenskaber.

Men i et papir udgivet i Advanced Materials , holdet fra UNSW rapporterer, at deres 3D-printede solid polymer electrolyte (SPE) tilbyder høj ledningsevne samt robust styrke.

Dette betyder, at faststof-elektrolytter potentielt kan bruges som den faktiske struktur af en enhed, hvilket skaber en række tænkelige designmuligheder, især for fremtidige medicinske produkter.

"Ingen har 3D-printede faste polymerelektrolytter før. Traditionelt er de blevet fremstillet ved hjælp af en form, men tidligere processer tilbød ikke muligheden for at kontrollere styrken af ​​materialet eller at forme det til komplekse former," siger Kenny Lee.

"Med eksisterende faststofelektrolytter, når man øger materialets mekaniske styrke, ofrer man meget af ledningsevnen. Ønsker man højere ledningsevne er materialet meget mindre robust. Det, vi har opnået, er en samtidig kombination af begge dele, hvilket kan være 3D-printet til sofistikerede geometrier.

"Denne polymerelektrolyt har potentialet til at være et lastbærende energilagringsmateriale. På grund af sin styrke kan den bruges som den faktiske struktur af lille elektronik, eller i rumfartsapplikationer eller i små personligt medicinske enheder givet vores 3D-printproces kan være meget indviklet og præcis.

"Vi kan skabe virkelig små strukturer med den slags systemer, vi bruger. Så det har en fantastisk anvendelse inden for nanoteknologi, og hvor som helst du har brug for at designe energilagring på mikroskalaniveau."

Øget cykelstabilitet

Selvom den faste polymerelektrolyt udviklet af UNSW-teamet betragtes som et højtydende materiale, siger forskerne, at det kan fremstilles ved hjælp af billige og kommercielt tilgængelige 3D-printere i stedet for sofistikeret teknisk udstyr.

SPE'en beskrevet i papiret er sammensat af ionledende kanaler i nanoskala indlejret i en stiv tværbundet polymermatrix. It is produced via a process known as polymerization-induced microphase separation (PIMS).

To showcase the versatility of the material, the researchers 3D printed an intricate map of Australia which was then tested as an energy storage device.

"One of the other benefits of this SPE in energy storage devices is the fact it increases the cycling stability—that is the number of charging and discharging cycles until its capacity is reduced to a certain amount," says Dr. Corrigan.

"In our paper, we show that this material is very stable and has the ability to charge and discharge over thousands of cycles. After 3,000 cycles there was only roughly a 10% drop."

The researchers say 3D printing also reduces wastage compared to other traditional forms of manufacturing and reduces costs since the same machine can be used to produce a variety of differently shaped materials.

In future, they say product designers could utilize their SPE to create items with a much higher energy storage density.

"Imagine an earpod predominantly made out of this material, which is also acting as the battery. The storage density will be much higher and the power would therefore last longer," says Professor Boyer.

"We really hope to be able to push forward in terms of commercialization because we've created some really incredible materials and processes." + Udforsk yderligere

New path for next-generation polymer-based battery design