Литий-ионные микробатареи — на 3D-принтере

Коллектив инженеров из гарвардского института Вайса и Университета штата Иллинойс в Урбана-Шампань продемонстрировал новое приложение 3D-печати. Полученные этим способом литий-ионные батареи размером с песчинку смогут обеспечить энергией множество микроскопических медицинских, коммуникационных, роботизованных и прочих устройств, остававшихся до сих пор в лабораториях из-за отсутствия достаточно миниатюрных источников питания.

До сих пор производители решали вопрос миниатюризации батарей, формируя электроды из тонких слоев твердых материалов, однако такая конструкция не обеспечивала достаточной для многих приложений плотности хранения энергии.

Поэтому, как рассказала первый автор статьи в онлайновом выпуске Advanced Materials Дженнифер Льюис (Jennifer Lewis), было предложено формировать выступающие над подложкой многослойные блоки из переплетенных ультратонких анода и катода. С этой целью был применен сконструированный на заказ 3D-принтер, наносивший, в соответствии с трехмерными компьютерными моделями последовательные слои материала (чернил) для создания требуемого физического объекта.

Команде Льюис также потребовалось разработать новые типы чернил с требуемыми механическими, химическими и электрическими свойствами. В отличие от жидких чернил для офисной струйной печати, вещество для экструзионной 3D-печати должно удовлетворять сразу двум трудносовместимым критериям: оно должно быть достаточно пластичным, чтобы выдавливаться, как зубная паста из тюбика, из сопла диаметром тоньше человеческого волоса, и немедленно затвердевать, принимая окончательную форму.

Чернила, применявшиеся для печати объемных электродов, дополнительно содержали наночастицы литий-металлических оксидов (один тип — для анода и другой — для катода), обеспечивающие им нужную электрохимическую функциональность. Они наносились на зубцы двух золотых «гребенок», образующих тесно переплетенную, но не пересекающуюся структуру.

Поместив полученные электроды в контейнер с электролитом ученые протестировали рабочие характеристики полученных батарей. Они установили, что по энергоемкости, длительности эксплуатации, скорости разрядки и зарядки экспериментальные образцы вполне соответствовали гораздо более крупным коммерческим аккумуляторам.

«Инновационные чернила для микробатарей существенно расширяют область практического применения 3D-печати, и, одновременно, открывают абсолютно новые возможности миниатюризации всевозможных устройств, как медицинских и прочих», — отметил директор и основатель института Вайса Дональд Ингбер (Donald Ingber).

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365