Według artykułu opublikowanego wnależącym do grupy Nature Communications Engineering, technologia opiera się na drukowalnym żelu polimerowym pełniącym funkcję elektrolitu i może w przyszłości zmienić sposób projektowania baterii dla elektroniki noszonej, medycyny oraz przemysłu lotniczego. To kolejne już tego typu odkrycie po rewolucyjnym gatunku stali w ostatnim czasie.
Elektrolit, który można drukować jak strukturę mechaniczną
Przełom dotyczy jednego z kluczowych elementów baterii – elektrolitu, czyli medium odpowiedzialnego za transport jonów pomiędzy elektrodami. W klasycznych akumulatorach stosuje się elektrolity ciekłe, które wymagają szczelnych obudów i w praktyce determinują kształt całego ogniwa.
Zespół badawczy z UTEP, kierowany przez dr. Alexisa Maurela, zastąpił je drukowalnym żelem polimerowym. Materiał powstał z połączenia światłoczułej żywicy oraz litowego elektrolitu ciekłego. Do jego wytwarzania wykorzystano technikę druku 3D typu vat photopolymerization, w której warstwa materiału jest utwardzana światłem.
Wydajność porównywalna z klasycznymi elektrolitami
Według przedstawionych wyników drukowany elektrolit osiąga przewodnictwo jonowe na poziomie do 3,4 × 10⁻³ S/cm, czyli wartości zbliżone do tradycyjnych elektrolitów ciekłych. Badacze przetestowali pięć różnych proporcji żywicy do elektrolitu – od 1:1 do 1:5 – a także dwa układy rozpuszczalników w samym elektrolicie ciekłym (mieszaniny węglanu etylenu z węglanem dietylu oraz węglanu etylenu z węglanem propylenu). Optymalny okazał się stosunek żywicy do elektrolitu 1:4, który zapewniał najlepszą równowagę między stabilnością druku a parametrami elektrycznymi materiału.
Istotnym elementem eksperymentów była także możliwość wytwarzania materiału w standardowych warunkach laboratoryjnych. Proces nie wymagał komory beztlenowej ani specjalnie kontrolowanej atmosfery, a drukowane struktury zachowywały swoje właściwości również w otwartym powietrzu.
Baterie o dowolnym kształcie zamiast standardowych pakietów
Aby zademonstrować możliwości technologii, naukowcy wydrukowali różne struktury, w tym płaskie dyski, strukturę o kształcie plastra miodu oraz jednolite kostki o rozmiarze około 1 cm.
Przy drukowaniu bardziej złożonych kształtów, takich jak plaster miodu, zespół napotkał problem nadmiernego utwardzania żywicy pod wpływem światła – przezroczystość materiału powodowała, że pory struktury częściowo zapychały się stwardniałym tworzywem. Rozwiązaniem okazało się dodanie do żelu… zwykłego czerwonego barwnika spożywczego, blokującego promieniowanie UV, co pozwoliło uzyskać dobrze zdefiniowaną siatkę oraz pełną kostkę 1 cm³. Badacze sprawdzili przy okazji, że dodanie barwnika nie wywołuje niepożądanej reakcji elektrochemicznej w testowanym zakresie napięć, zastrzegając jednocześnie, że tego typu absorbery UV wymagają dalszej, ostrożnej oceny przed zastosowaniem w praktycznych ogniwach.
Takie podejście otwiera drogę do projektowania baterii dopasowanych do kształtu urządzenia, a nie odwrotnie. W praktyce mogłoby to oznaczać integrację źródeł energii bezpośrednio w konstrukcji urządzeń ubieralnych, implantów medycznych czy elementów konstrukcyjnych w przemyśle lotniczym.
Kolejne etapy badań i współpraca z laboratoriami
Wartym podkreślenia jest fakt, że projekt realizowany był we współpracy z Sandia National Laboratories. Zespół badawczy ze wspomnianego uniwersytetu planuje teraz dalszą optymalizację składu elektrolitu oraz wykorzystanie drukowanego materiału do budowy kompletnych ogniw.
Według autorów badania technologia jest częścią szerszych prac nad drukiem 3D komponentów bateryjnych i może w przyszłości przyczynić się do powstania nowych architektur magazynowania energii, lepiej dopasowanych do wymagań nowoczesnej elektroniki i przemysłu zaawansowanych technologii. Czyżby otwierał się kolejny rozdział w projektowaniu coraz bardziej popularnych „nosideł”? Zobaczymy!
0 komentarzy