Vai 3D drukāšana ir akumulatoru dizaina nākotne?

Baterijas Getty

Viena no mūsu 21. gadsimta dzīvesveida tehnoloģijām ir litija jonu akumulators. Šīs enerģijas paketes padara iespējamus mobilos tālruņus un elektriskās automašīnas, klēpjdatorus un veselības aprūpes ierīces, robotus un attālināti vadāmus sensorus un daudz ko citu. Iespējams, nav pārsteidzoši, ka šī gada sākumā to izstrādātājiem tika piešķirta Nobela prēmija ķīmijā.

Taču materiālu zinātniekiem ļoti vajadzīgas labākas baterijas lietu internetam, nākamās paaudzes personālajām ierīcēm un daudz ko citu. Labākām baterijām būs arī liela nozīme enerģijas uzglabāšanā no atjaunojamiem, bet nepastāvīgiem avotiem, piemēram, vēja un saules.

Akumulatora veiktspēja ir daudzu dažādu faktoru rezultāts. Enerģijas blīvumam ir izšķiroša nozīme; tā ir arī spēja noturēt lādiņu bez tā noplūdes. Pēc tam ir uzlādējamība — ne tikai vienu reizi, bet tūkstošiem vai desmitiem tūkstošu reižu — un, protams, drošība.

Elektroķīmiķi pārāk labi zina, cik delikāts ir šis līdzsvarošanas akts. Līdz ar to akumulatoru ražotāji ir piesardzīgi, izmēģinot jaunas pieejas, lai nesamazinātos kāds no veiktspējas aspektiem. Tāpēc uzlabojumi parasti ir pakāpeniski un nelieli. No kurienes, iespējams, nāks lielie uzlabojumi, kas mums nepieciešami?

Šodien mēs saņemam sava veida atbildi: nākotnes baterijas tiks izgatavotas, izmantojot 3D drukāšanu, saka Vladimirs Egorovs no Korkas universitātes Īrijā un daži kolēģi. Šie cilvēki ir izpētījuši dažādus jaunos akumulatoru drukāšanas paņēmienus un ierosina, ka tas padarīs iespējamu jaunas paaudzes mazākas, jaudīgākas ierīces.

Vispirms nedaudz fona. 3D druka ir vispārīgs termins dažādām metodēm, kas ļauj konstruēt trīsdimensiju objektus, pievienojot materiālu slāni pa slānim. Tas var būt veids, kā izveidot prototipu projektus testēšanai, nemaz nerunājot par eksotiskiem pārtikas produktiem, rezerves ķermeņa daļām un pat veselām ēkām. Daudzu iespiedmašīnu paralēla izmantošana ļauj masveidā ražot tādas preces kā automašīnu un lidmašīnu detaļas un apavus. Un, kad ir pieejams jauns dizains, to var ātri izdrukāt, minimāli pārkonfigurējot rūpnīcas telpu.

Materiālu zinātnieki ir arī sākuši eksperimentēt ar veidiem, kā drukāt elektroniskās shēmas, izmantojot polimēru tintes un sudraba polimēru pēdām, tāpēc lodēšana vairs nav nepieciešama. Tādā veidā shēmas plates var iegūt vairāk vai mazāk jebkādu formu un pat būt daļa no ierīces struktūras.

Tomēr būtisks ierobežojums ir nepieciešamība iekļaut parastās baterijas, kurām ir specifiski izmēri un formas.

Iespēja drukāt 3D baterijas to mainīs. Ja tos var izdrukāt, lai nevainojami integrētos izstrādājuma dizainā, gan estētisku, gan komforta vai funkcionālu iemeslu dēļ, apjomīgāks un fiksēta formas faktora standarta akumulators produkta izstrādes stadijā nav jāievieto, saka Egorovs un citi.

To ir vieglāk pateikt nekā izdarīt. Baterijās izmantotie elektroaktīvie materiāli pēc būtības ir reaktīvi, un tādas struktūras kā anodi un katodi ir fiziski sarežģītas. Tiem bieži jābūt sakārtotiem kā kristāliem un dažreiz porainiem kā molekulāriem sūkļiem. Vienmēr tiem jābūt ķīmiski labi raksturotiem.

Ir grūti izveidot šo materiālu versijas, kas ir piemērotas 3D drukāšanai, vai nu ar cietas vai šķidruma ekstrūzijas palīdzību, vai ar šķidruma polimerizāciju. Pēc drukāšanas šiem materiāliem ir jāsaglabā savi elektriskie starpsavienojumi, stingri jākontrolē visas ķīmiskās reakcijas, kas notiek starp komponentiem, un jānodrošina, ka akumulatori var uzlādēt un izlādēties daudzu ciklu laikā.

Pats galvenais, baterijām jābūt drošām. Visām baterijām ir jāatbilst stingriem drošības standartiem, lai tās varētu izmantot mājās, transportlīdzekļos, lidmašīnās utt. Baterijas, kas izplūst, var radīt dārgus bojājumus. Bet visnopietnākais risks ir ugunsgrēks. Iespējams, ka testēšanas kritēriji būs jāmaina, lai varētu izmantot jaunus dizainus, kas pastāvīgi mainās.

Un pat tad, ja visus šos izaicinājumus var pārvarēt, rodas cits jautājums. Vai 3D akumulatori būs spējīgāki nekā esošie modeļi?

Egorov un co sniedz visaptverošu pārskatu par materiāliem, metodēm un izaicinājumiem, ar kuriem saskaras akumulatoru nozare, drukājot nākotnes barošanas blokus. Taču recenzenti palaiž garām svarīgu nākotnes akumulatora dizaina elementu, kurā 3D drukāšanai varētu būt svarīga loma.

Viens no lielākajiem un svarīgākajiem izaicinājumiem akumulatoru industrijai ir padarīt savus produktus pārstrādājamus. Mūsdienu akumulatori ir īpaši izstrādāti tā, lai tos nevarētu viegli izjaukt, tāpēc to vērtīgo materiālu atkārtota izmantošana ir gandrīz neiespējama.

Tas nav piemērots tehnoloģijai, kurai būs jāspēlē galvenā loma sabiedrības pārejā no fosilā kurināmā uz atjaunojamo enerģiju.

Tāpēc pārmaiņas ir ļoti vajadzīgas. Pašreizējā domāšana ir tāda, ka baterijas jau no paša sākuma ir jāprojektē, paturot prātā otrreizējo pārstrādi, un tas prasīs pilnīgi jaunu akumulatoru dizaineru domāšanu. Elastīgums, ko nodrošina 3D drukāšana, var uzsākt un paātrināt šo tik ļoti nepieciešamo revolūciju.

Kamēr Egerovs un viņa kolēģi ignorē šo problēmu (termins otrreizēja pārstrāde viņu dokumentā neparādās), pārējā akumulatoru ražošanas nozare to nevar atļauties.

Atsauce: arxiv.org/abs/1912.04400 : 3D drukāšanas metožu un materiālu attīstība elektroķīmiskās enerģijas uzglabāšanai

paslēpties