Ar 3D spausdinimas yra baterijų dizaino ateitis?

Baterijos Getty

Viena iš mūsų XXI amžiaus gyvenimo būdo technologijų yra ličio jonų baterija. Šie energijos paketai leidžia sukurti mobiliuosius telefonus ir elektromobilius, nešiojamuosius kompiuterius ir sveikatos priežiūros įrenginius, robotus ir nuotoliniu būdu valdomus jutiklius ir dar daugiau. Galbūt nenuostabu, kad šių metų pradžioje jų kūrėjai buvo apdovanoti Nobelio premija už chemiją.

Tačiau medžiagų mokslininkams labai reikia geresnių baterijų daiktų internetui, naujos kartos asmeniniams įrenginiams ir dar daugiau. Geresnės baterijos taip pat turės atlikti svarbų vaidmenį kaupiant energiją iš atsinaujinančių, bet nepastovių šaltinių, tokių kaip vėjas ir saulė.

Akumuliatoriaus veikimą lemia daugybė skirtingų veiksnių. Energijos tankis yra labai svarbus; taip pat ir galimybė išlaikyti krūvį jam nenutekėjus. Tada yra galimybė įkrauti – ne tik vieną kartą, bet tūkstančius ar dešimtis tūkstančių kartų – ir, žinoma, saugumas.

Elektrochemikai labai gerai žino, koks subtilus yra šis balansavimo veiksmas. Todėl baterijų gamintojai atsargiai bando naujus metodus, kad nesumažėtų vienas našumo aspektas. Taigi patobulinimai paprastai yra laipsniški ir nedideli. Iš kur greičiausiai bus reikalingi dideli patobulinimai?

Šiandien gauname atsakymą: ateities baterijos bus gaminamos naudojant 3D spausdinimą, sako Vladimiras Egorovas iš Korko universiteto Airijoje ir keli kolegos. Šie žmonės ištyrė įvairius naujus baterijų spausdinimo būdus ir mano, kad tai leis sukurti naujos kartos mažesnius ir galingesnius įrenginius.

Pirmiausia šiek tiek fono. 3D spausdinimas yra bendras įvairių technikų, kurios leidžia konstruoti trimačius objektus, pridedant medžiagą sluoksnis po sluoksnio, terminas. Tai gali būti būdas sukurti prototipų projektus bandymams, jau nekalbant apie egzotiškus maisto produktus, atsargines kūno dalis ir net ištisus pastatus. Lygiagretus daugelio spausdinimo mašinų naudojimas leidžia masiškai gaminti tokius daiktus kaip automobilių ir orlaivių dalys bei batai. O kai atsiranda naujas dizainas, jį galima greitai atspausdinti, minimaliai perkonfigūruojant gamyklos erdvę.

Medžiagų mokslininkai taip pat pradėjo eksperimentuoti su elektroninių grandinių spausdinimo būdais, naudojant polimerinius dažus ir sidabro polimerą pėdsakams, todėl litavimo nebereikia. Tokiu būdu plokštės gali įgauti daugiau ar mažiau bet kokią formą ir netgi būti įrenginio struktūros dalimi.

Tačiau reikšmingas apribojimas yra būtinybė naudoti įprastas baterijas, kurios yra specifinių dydžių ir formų.

Galimybė spausdinti 3D baterijas tai pakeis. Jei juos galima atspausdinti, kad jie būtų sklandžiai integruoti į gaminio dizainą dėl estetinių ir patogumo ar funkcinių priežasčių, stambesnės ir fiksuoto formos standartinio akumuliatoriaus nereikia naudoti gaminio projektavimo etape, sako Egorovas ir kt.

Tai lengviau pasakyti nei padaryti. Baterijose naudojamos elektroaktyvios medžiagos iš prigimties yra reaktyvios, o tokios struktūros kaip anodai ir katodai yra fiziškai sudėtingos. Jie dažnai turi būti sutvarkyti kaip kristalai, o kartais porėti kaip molekulinės kempinės. Visada jie turi būti chemiškai gerai apibūdinti.

Sudėtinga sukurti šių medžiagų versijas, tinkamas 3D spausdinimui, išspaudžiant kietą ar skystą medžiagą arba polimerizuojant skystį. Išspausdintos šios medžiagos turi išlaikyti savo elektrinius ryšius, griežtai kontroliuoti visas chemines reakcijas, vykstančias tarp komponentų, ir užtikrinti, kad akumuliatoriai galėtų įkrauti ir išsikrauti per daugelį ciklų.

Svarbiausia, kad baterijos būtų saugios. Visi akumuliatoriai turi atitikti griežtus saugos standartus, kad juos būtų galima naudoti namuose, transporto priemonėse, lėktuvuose ir pan. Ištekėjusios baterijos gali pridaryti brangios žalos. Tačiau didžiausias pavojus yra gaisras. Gali būti, kad bandymo kriterijai turės keistis, kad būtų galima sukurti naujus dizainus, kurie nuolat keičiasi.

Ir net jei visus šiuos iššūkius pavyks įveikti, kyla kitas klausimas. Ar 3D baterijos bus pajėgesnės nei esamos konstrukcijos?

Egorov ir bendradarbiai pateikia išsamią medžiagų, metodų ir iššūkių, su kuriais susiduria akumuliatorių pramonė spausdinant ateities maitinimo blokus, apžvalgą. Tačiau apžvalgininkai praleidžia svarbų būsimos baterijos dizaino elementą, kuriame 3D spausdinimas galėtų atlikti svarbų vaidmenį.

Vienas didžiausių ir svarbiausių baterijų pramonės iššūkių yra užtikrinti, kad jų gaminiai būtų perdirbami. Šiuolaikinės baterijos yra specialiai sukurtos taip, kad jų nebūtų lengva išardyti, todėl pakartotinai panaudoti juose esančias vertingas medžiagas beveik neįmanoma.

Tai netinka technologijai, kuri turės atlikti pagrindinį vaidmenį visuomenei pereinant nuo iškastinio kuro prie atsinaujinančios energijos.

Taigi pokyčių labai reikia. Šiuo metu manoma, kad baterijos turi būti kuriamos nuo pat pradžių, atsižvelgiant į perdirbimą, ir kad tam reikės visiškai naujo baterijų dizainerių požiūrio. Lankstumas, kurį suteikia 3D spausdinimas, gali pradėti ir paspartinti šią labai reikalingą revoliuciją.

Nors Egerovas ir bendražygiai nepaiso šios problemos (terminas perdirbimas nėra jų dokumente), likusi baterijų pramonės dalis negali sau to leisti.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1912.04400 : 3D spausdinimo metodų ir medžiagų, skirtų elektrocheminei energijai saugoti, raida

paslėpti