3D-print af små batterier

(Phys.org) —3D-print kan nu bruges til at printe lithium-ion-mikrobatterier på størrelse med et sandkorn. De trykte mikrobatterier kunne levere elektricitet til små enheder inden for områder fra medicin til kommunikation, inklusive mange, der har dvælet på laboratoriebænke i mangel af et batteri, der er lille nok til at passe til enheden, giver dog nok lagret energi til at drive dem.

For at lave mikrobatterier, et team baseret på Harvard University og University of Illinois i Urbana-Champaign printede præcist sammenflettede stakke af bittesmå batterielektroder, hver mindre end bredden af ​​et menneskehår.

"Vi demonstrerede ikke kun for første gang, at vi kan 3D-printe et batteri, vi demonstrerede det på den mest stringente måde, " sagde Jennifer Lewis, Ph.D., senior forfatter af undersøgelsen, som også er Hansjörg Wyss professor i biologisk inspireret teknik ved Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), og et kernefakultetsmedlem af Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University. Lewis ledede projektet i sin tidligere stilling ved University of Illinois i Urbana-Champaign, i samarbejde med medforfatter Shen Dillon, en adjunkt i materialevidenskab og teknik der.

Resultaterne vil blive offentliggjort online den 18. juni i tidsskriftet Avancerede materialer .

I de senere år har ingeniører opfundet mange miniaturiserede enheder, herunder medicinske implantater, flyvende insektlignende robotter, og bittesmå kameraer og mikrofoner, der passer på et par briller. Men ofte er batterierne, der driver dem, lige så store eller større end selve enhederne - hvilket besejrer formålet med at bygge småt.

For at komme uden om dette problem, producenter har traditionelt deponeret tynde film af faste materialer til at bygge elektroderne. Imidlertid, på grund af deres ultratynde design, disse solid-state mikro-batterier pakker ikke tilstrækkelig energi til at drive morgendagens miniaturiserede enheder.

Forskerne indså, at de kunne pakke mere energi, hvis de kunne skabe stakke af tæt sammenflettede, ultratynde elektroder, der var bygget ud af plan. Til dette vendte de sig til 3D-print. 3D-printere følger instruktioner fra tredimensionelle computertegninger, aflejring af på hinanden følgende lag af materiale - blæk - for at bygge en fysisk genstand fra bunden, meget som at stable et sæt kort ét ad gangen. Teknikken bruges på en række områder, bl. fra produktion af kroner i tandlaboratorier til hurtig prototyping af rumfart, bilindustrien, og forbrugsgoder. Lewis' gruppe har i høj grad udvidet mulighederne for 3D-print. De har designet en bred vifte af funktionelle blæk - blæk med nyttige kemiske og elektriske egenskaber. Og de har brugt disse blæk med deres specialbyggede 3D-printere til at skabe præcise strukturer med det elektroniske, optisk, mekanisk, eller biologisk relevante egenskaber, de ønsker.

For at udskrive 3D-elektroder, Lewis' gruppe oprettede og testede først adskillige specialiserede blæk. I modsætning til blækket i en kontorblækprinter, som kommer ud som dråber af væske, der våder siden, blækerne udviklet til ekstruderingsbaseret 3D-print skal opfylde to vanskelige krav. De skal komme ud af fine dyser som tandpasta fra en tube, og de skal straks hærde til deres endelige form.

I denne video, en 3D-printerdyse, der er smallere end et menneskehår, lægger et specielt formuleret "blæk" lag for lag ned for at bygge et mikrobatteris anode fra bunden. I modsætning til blæk i en kontorblækprinter, som kommer ud som dråber af væske og fugter et stykke papir, disse 3D-printer blæk er specielt formuleret til at komme ud af dysen som tandpasta fra en tube, hærder derefter straks til lag, der er lige så smalle som dem, der fremstilles ved tyndfilmfremstillingsmetoder. Ud over, blækket indeholder nanopartikler af en lithiummetaloxidforbindelse, der giver anoden de rette elektriske egenskaber. Kredit:Teng-Sing Wei, Bok Yeop Ahn, Jennifer Lewis

I dette tilfælde, blækket skulle også fungere som elektrokemisk aktive materialer for at skabe arbejdsanoder og katoder, og de var nødt til at hærde til lag, der er lige så smalle som dem, der blev fremstillet ved tyndfilmsfremstillingsmetoder. For at nå disse mål, forskerne skabte en blæk til anoden med nanopartikler af en lithiummetaloxidforbindelse, og en blæk til katoden fra nanopartikler fra en anden. Printeren afsatte blækket på tænderne af to guldkamme, skabe en tæt sammenflettet stak af anoder og katoder. Derefter pakkede forskerne elektroderne i en lille beholder og fyldte den med en elektrolytopløsning for at fuldende batteriet.

Næste, de målte, hvor meget energi der kunne pakkes ind i de små batterier, hvor meget kraft de kunne levere, og hvor længe de holdt en afgift. "Den elektrokemiske ydeevne er sammenlignelig med kommercielle batterier med hensyn til opladning og afladningshastighed, cyklusliv og energitætheder. Vi er bare i stand til at opnå dette på en meget mindre skala, " sagde Dillon.

"Jennifers innovative mikrobatteriblækdesign udvider dramatisk de praktiske anvendelser af 3D-print, og samtidig åbne for helt nye muligheder for miniaturisering af alle typer enheder, både medicinsk og ikke-medicinsk. Det er enormt spændende, " sagde Wyss stiftende direktør Donald Ingber, M.D., Ph.D.