O krok bliżej do drukowanej elektroniki – bateria z drukarki 3D

Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda opracowali technologię wytwarzania całkowicie drukowanych przestrzennie baterii litowo-jonowych o wydajności nieznacznie tylko ustępującej powszechnie stosowanym bateriom. Skorzystano z metody direct ink writing, a materiałami do druku były zawiesiny odpowiednich cząstek – związków metali – które po zastygnięciu utworzyły katodę, anodę i separator. Podobna technologia niebawem może znaleźć zastosowanie do tworzenia stuprocentowo drukowanych urządzeń elektronicznych.

Grupa profesor Jennifer Lewis z Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering specjalizuje się w wytwarzaniu miękkich materiałów funkcjonalnych. W dużej mierze inspirują się wytworami natury – z jednej strony próbują wykorzystać druk 3D do tworzenia sztucznych tkanek, z drugiej konstruują, wzorowane na biologicznych mechanizmach, miękkie roboty. Zespół zajmuje się także technologiami powiązanymi z drukiem 3D w skali mikro oraz wytwarzaniem przyrostowym elektroniki.

Osiągnięcia prof. Lewis i jej współpracowników niejednokrotnie opisywaliśmy na łamach CD3D. Dwa lata temu były to drukowane 3D mikrodruty ze srebra, których oporność zależała od parametrów wydruku. Na początku bieżącego roku opisaliśmy zastosowanie „rotacyjnego druku przestrzennego” do wytwarzania materiałów kompozytowych o ulepszonych właściwościach mechanicznych. Wreszcie niecały miesiąc temu pojawiło się doniesienie o innowacyjnym osiągnięciu z dziedziny miękkiej robotyki – wydrukowaniu chwytaka zdolnego odbierać sygnały z otoczenia.

Należy przyznać, że zespół ten jest wyjątkowo wszechstronny. Co więcej, podane przykłady to tylko część ich osiągnięć. Cztery lata temu grupa zajęła się opracowaniem drukowanych baterii – najpierw wydrukowali mikroskopijne ogniwa wielkości ziaren piasku. Miały być odpowiedzią na zapotrzebowania miniaturowej elektroniki (zwykle baterie stanowią największy element mikrourządzeń), ale sprawność wydajność prototypów była adekwatna do ich rozmiaru.

Najnowsze prace skupiły się na udoskonaleniu techniki, tym razem w skali makro. Artykuł w magazynie Advanced Materials opisuje sposób wytwarzania drukowanych przestrzennie baterii litowo-jonowych o pojemności polowej (areal capacity) dziesięciokrotnie większej od wcześniejszych mikroogniw. Do wytworzenia katody, anody oraz separatora wykorzystano zawiesiny cząstek odpowiednich związków metali (katoda: LiFePO₄, anoda: Li₄Ti₅O₁₂, separator: Al₂O₃; każda warstwa zawierała też bis(trifluorometylosulfonylo)imidek litu, pełniący rolę elektrolitu). Wszystkie elementy baterii wydrukowano w technologii direct ink writing (DIW), a separator i obudowa zawierały dodatkowo światłoutwardzalną żywicę.

Dalsze doskonalenie technologii druku 3D wydajnych baterii otwiera drogę do produkcji wytwarzanych przyrostowo urządzeń – ubieralnej elektroniki, biosensorów, miękkich robotów. Autorzy artykułu sugerują, że ich pomysł można wykorzystać do wyprodukowania elektronicznych okularów, opasek zegarków czy pierścionków. Z ciekawością wypatrujemy kolejnych osiągnięć zespołu prof. Lewis!

Źródło : Artykuł o druku 3D baterii

więcej o drukowanych mikrobateriach: wyss.harvard.edu