Czy drukowanie 3D to przyszłość projektowania baterii?

Baterie Getty

Jedną z technologii wspomagających nasz styl życia w XXI wieku jest bateria litowo-jonowa. Te pakiety energetyczne umożliwiają korzystanie z telefonów komórkowych i samochodów elektrycznych, laptopów i urządzeń medycznych, robotów i zdalnie sterowanych czujników oraz wielu innych. Być może nie jest zaskoczeniem, że na początku tego roku ich twórcy otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.

Jednak naukowcy zajmujący się materiałami desperacko potrzebują lepszych baterii do Internetu rzeczy, urządzeń osobistych następnej generacji i nie tylko. Lepsze baterie będą również musiały odgrywać ważną rolę w przechowywaniu energii ze źródeł odnawialnych, ale niestałych, takich jak wiatr i słońce.

Wydajność baterii jest wynikiem wielu różnych czynników. Gęstość energii ma kluczowe znaczenie; podobnie jak zdolność do utrzymywania ładunku bez jego wycieku. Do tego dochodzi możliwość wielokrotnego ładowania — nie tylko raz, ale tysiące lub dziesiątki tysięcy razy — i oczywiście bezpieczeństwo.

Elektrochemicy aż za dobrze wiedzą, jak delikatne jest to zachowanie równowagi. W związku z tym producenci baterii ostrożnie próbują nowych podejść, aby nie spadł jeden aspekt wydajności. Tak więc ulepszenia są zwykle przyrostowe i niewielkie. Skąd są duże ulepszenia, których prawdopodobnie potrzebujemy?

Dziś otrzymujemy coś w rodzaju odpowiedzi: akumulatory przyszłości będą wytwarzane za pomocą druku 3D, mówi Vladimir Egorov z University of Cork w Irlandii wraz z kilkoma kolegami. Ci ludzie zbadali różne nowe techniki drukowania baterii i zasugerowali, że umożliwi to nową generację mniejszych, bardziej wydajnych urządzeń.

Najpierw trochę tła. Druk 3D to ogólne określenie różnych technik, które umożliwiają konstruowanie obiektów trójwymiarowych poprzez dodawanie materiału warstwa po warstwie. Może to być sposób na wykonanie prototypowych projektów do testów – nie wspominając o egzotycznych produktach spożywczych, częściach zamiennych, a nawet całych budynkach. Równoległe wykorzystanie wielu maszyn drukarskich pozwala na masową produkcję takich elementów jak części samochodowe i lotnicze oraz buty. A kiedy nowy projekt jest dostępny, można go szybko wydrukować, przy minimalnej rekonfiguracji przestrzeni fabrycznej.

Naukowcy zajmujący się materiałami zaczęli również eksperymentować ze sposobami drukowania obwodów elektronicznych za pomocą atramentów polimerowych i polimeru srebra jako śladów, dzięki czemu lutowanie nie jest już potrzebne. W ten sposób płytki drukowane mogą przybierać mniej więcej dowolny kształt, a nawet stanowić część konstrukcji urządzenia.

Jednak istotnym ograniczeniem jest konieczność stosowania konwencjonalnych baterii, które występują w określonych rozmiarach i kształtach.

Możliwość drukowania baterii 3D zmieni to. Jeśli można je wydrukować, aby bezproblemowo zintegrować się z projektem produktu, zarówno ze względów estetycznych, jak i komfortu lub ze względów funkcjonalnych, standardowa bateria o większej objętości i stałym współczynniku kształtu nie musi być uwzględniana na etapie projektowania produktu, mówią Egorov i spółka.

Łatwiej to powiedzieć niż zrobić. Materiały elektroaktywne stosowane w akumulatorach są z natury reaktywne, a struktury, takie jak anody i katody, są fizycznie złożone. Często muszą być uporządkowane jak kryształy, a czasem porowate jak gąbki molekularne. Zawsze muszą być dobrze scharakteryzowane chemicznie.

Trudno jest stworzyć wersje tych materiałów, które nadają się do druku 3D, czy to przez wytłaczanie ciała stałego lub cieczy, czy przez polimeryzację cieczy. Po wydrukowaniu materiały te muszą zachować swoje połączenia elektryczne, ściśle kontrolować wszelkie reakcje chemiczne zachodzące między komponentami i zapewniać możliwość ładowania i rozładowywania akumulatorów przez wiele cykli.

Co najważniejsze, baterie muszą być bezpieczne. Wszystkie akumulatory muszą spełniać surowe normy bezpieczeństwa, zanim będą mogły być używane w domach, pojazdach, samolotach i tak dalej. Wyciekające baterie mogą spowodować kosztowne uszkodzenia. Ale najpoważniejszym zagrożeniem jest pożar. Może się zdarzyć, że kryteria testowania będą musiały ulec zmianie, aby umożliwić nowe projekty, które stale się zmieniają.

A nawet jeśli wszystkie te wyzwania da się przezwyciężyć, pojawia się kolejne pytanie. Czy baterie 3D będą bardziej wydajne niż istniejące projekty?

Egorov i spółka zapewniają kompleksowy przegląd materiałów, metod i wyzwań stojących przed branżą akumulatorów podczas drukowania zasilaczy przyszłości. Jednak recenzenci pomijają ważny element przyszłego projektowania baterii, w którym drukowanie 3D może odegrać ważną rolę.

Jednym z największych i najważniejszych wyzwań dla branży akumulatorów jest umożliwienie recyklingu ich produktów. Dzisiejsze baterie są specjalnie zaprojektowane tak, aby nie można ich było łatwo rozebrać, więc ponowne wykorzystanie cennych materiałów, które zawierają, jest prawie niemożliwe.

To nie jest dobre dla technologii, która będzie musiała odgrywać kluczową rolę w przejściu społeczeństwa z paliw kopalnych na energię odnawialną.

Więc zmiana jest bardzo potrzebna. Obecne myślenie jest takie, że baterie muszą być projektowane od samego początku z myślą o recyklingu, co będzie wymagało od projektantów baterii zupełnie nowego nastawienia. Elastyczność, jaką umożliwia drukowanie 3D, może zapoczątkować i przyspieszyć tę bardzo potrzebną rewolucję.

Podczas gdy Egerov i spółka ignorują tę kwestię (termin recykling nie pojawia się w ich dokumencie), reszta branży baterii nie może sobie na to pozwolić.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1912.04400 : Ewolucja metod druku 3D i materiałów do elektrochemicznego magazynowania energii

ukryć