Ученые разработали технологию 3D-печати электролита для аккумуляторов практически любой формы
Исследователи из Техасского университета в Эль-Пасо (UTEP) разработали новую технологию 3D-печати одного из ключевых компонентов аккумуляторов, которая позволяет создавать элементы питания практически любой формы без ухудшения их характеристик. По мнению авторов работы, эта разработка может существенно изменить подход к проектированию аккумуляторов для носимой электроники, медицинских устройств, аэрокосмической техники и других компактных систем.
В центре исследования находится электролит — материал, обеспечивающий перенос заряженных частиц между электродами аккумулятора. Именно этот компонент определяет возможность накопления и отдачи энергии. До сих пор конструкция аккумуляторов во многом ограничивалась использованием жидких электролитов, однако теперь учёным удалось создать материал, пригодный для 3D-печати.
Большинство современных перезаряжаемых аккумуляторов используют жидкие электролиты, которые необходимо герметично заключать в жёсткий корпус. Именно корпус задаёт окончательную форму батареи, ограничивая свободу конструкторов. Кроме того, повреждение такого корпуса может привести к утечке электролита и создать дополнительные риски для безопасности.
Чтобы решить эту проблему, специалисты разработали печатаемый гелеобразный полимерный электролит. Для его создания исследователи объединили светочувствительную полимерную смолу с жидким электролитом на основе лития. Затем материал изготавливался методом фотополимеризации в ванне, при котором жидкая смесь послойно затвердевает под воздействием света.
Испытания показали, что полученный материал обладает ионной проводимостью, сопоставимой с традиционными жидкими электролитами. Максимальное значение достигло 3,4 × 10⁻³ Сименс на сантиметр, что соответствует уровню, необходимому для эффективной работы аккумуляторов. Исследователи также установили, что наилучшие результаты обеспечивает соотношение одной части смолы к четырём частям электролита, позволяющее одновременно добиться высокой точности печати и хороших эксплуатационных характеристик.
Ещё одним важным преимуществом новой технологии стало то, что процесс печати не требует герметичных камер или бескислородной среды. Электролит удалось успешно изготавливать в обычных лабораторных условиях на открытом воздухе без заметного ухудшения его свойств, что значительно упрощает потенциальное промышленное производство.
Чтобы продемонстрировать возможности технологии, исследователи напечатали несколько изделий различной геометрии. Среди них были плоские диски, открытая сотовая решётка и сплошной куб размером около 1 сантиметра.
По словам учёных, такие результаты показывают, что в будущем форму аккумулятора можно будет подстраивать под конкретное устройство, а не наоборот. Это открывает возможность интегрировать аккумуляторы непосредственно в конструкцию носимой электроники, медицинских имплантатов, авиационно-космических компонентов и других изделий, где свободное пространство сильно ограничено.
Руководитель исследования Алексис Морель отметил, что на протяжении многих лет именно форма аккумулятора определяла конструкцию устройства, которое он питает. Новая технология демонстрирует возможность создавать высокоэффективные компоненты аккумуляторов практически любой геометрии и размещать их там, где это необходимо конструкторам.
В рамках исследования учёные также проанализировали влияние различных растворителей на процесс печати и работу готового электролита. Авторы отмечают, что ранее этому аспекту уделялось сравнительно мало внимания при разработке печатаемых аккумуляторных материалов.
Испытания показали, что одна из исследованных смесей сохраняла особенно высокую стабильность при многократных циклах тестирования. Это позволило определить состав, который считается наиболее перспективным для дальнейшего развития технологии.
Декан Инженерного колледжа имени Мигеля А. Лойи Кенит Майсснер подчеркнул, что исследование демонстрирует стремительное объединение технологий аддитивного производства и современных систем хранения энергии. По его словам, разработка масштабируемого метода 3D-печати электролитов практически любой формы позволит расширить возможности проектирования аккумуляторов нового поколения и укрепит позиции университета в области исследований перспективных энергетических технологий.
Проект был выполнен совместно со специалистами Национальных лабораторий Сандия. Следующим этапом работы станет дальнейшая оптимизация состава электролита и создание полноценных аккумуляторных элементов с использованием разработанной технологии 3D-печати.
Авторы считают, что в случае успешного развития проекта новая технология позволит создавать аккумуляторы, лучше соответствующие требованиям электроники будущего, транспортных систем и аэрокосмической отрасли, одновременно предоставляя инженерам значительно большую свободу при разработке новых устройств.
Исследование в журнале Communications Engineering.