Er 3D-utskrift fremtiden for batteridesign?

Batterier Getty

En av de muliggjørende teknologiene i vår livsstil fra det 21. århundre er litium-ion-batteriet. Disse energipakkene muliggjør mobiltelefoner og elbiler, bærbare datamaskiner og helseapparater, roboter og fjernstyrte sensorer og mye mer. Kanskje ikke overraskende ble utviklerne deres tidligere i år tildelt Nobelprisen i kjemi.

Men materialforskere trenger desperat bedre batterier for tingenes internett, for neste generasjon personlige enheter og mye mer. Bedre batterier vil også bli brukt til å spille en viktig rolle i å lagre energien fra fornybare, men inkonstante, kilder som vind og sol.

Batteriytelsen er et resultat av mange forskjellige faktorer. Energitetthet er avgjørende; det samme er evnen til å holde ladningen uten at den lekker bort. Så er det oppladbarhet – ikke bare én gang, men tusenvis eller titusenvis av ganger – og selvfølgelig sikkerhet.

Elektrokjemikere vet bare altfor godt hvor delikat denne balansegangen er. Følgelig er batteriprodusenter forsiktige med å prøve nye tilnærminger, for at ikke ett aspekt av ytelsen skal falle. Så forbedringer er vanligvis inkrementelle og små. Hvor kommer de store forbedringene vi trenger sannsynligvis fra?

I dag får vi et slags svar: Fremtidens batterier vil bli laget via 3D-utskrift, sier Vladimir Egorov ved University of Cork i Irland og noen få kolleger. Disse menneskene har undersøkt de forskjellige nye utskriftsteknikkene for batterier og foreslår at dette vil muliggjøre en ny generasjon av mindre, mer kapable enheter.

Først litt bakgrunn. 3D-printing er den generelle betegnelsen for en rekke teknikker som gjør at tredimensjonale objekter kan konstrueres ved å legge til materiale lag for lag. Det kan være en måte å lage prototypedesign for testing - for ikke å snakke om eksotiske matvarer, erstatningskroppsdeler og til og med hele bygninger. Bruk av mange trykkemaskiner parallelt tillater masseproduksjon av gjenstander som bil- og flydeler og sko. Og når et nytt design er tilgjengelig, kan det skrives ut raskt, med minimal rekonfigurering av en fabrikkplass.

Materialforskere har også begynt å eksperimentere med måter å skrive ut elektroniske kretser ved å bruke polymerblekk og en sølvpolymer for spor, så lodding er ikke lenger nødvendig. På denne måten kan kretskort anta mer eller mindre hvilken som helst form og til og med utgjøre en del av enhetens struktur.

En betydelig begrensning er imidlertid behovet for å inkludere konvensjonelle batterier, som kommer i spesifikke størrelser og former.

Muligheten til å skrive ut 3D-batterier vil endre det. Hvis de kan skrives ut for sømløst å integreres i produktdesignet, både av estetiske og komfortmessige eller funksjonelle årsaker, trenger ikke det tykkere standardbatteriet med fast formfaktor å få plass på produktdesignstadiet, sier Egorov og co.

Dette er lettere sagt enn gjort. De elektroaktive materialene som brukes i batterier er iboende reaktive, og strukturer som anoder og katoder er fysisk komplekse. De må ofte bestilles som krystaller, og noen ganger porøse som molekylære svamper. De må alltid være kjemisk godt karakteriserte.

Det er utfordrende å lage versjoner av disse materialene som er egnet for 3D-utskrift, enten ved ekstrudering av et fast eller en væske eller ved polymerisering av væske. Når de er skrevet ut, må disse materialene opprettholde sine elektriske sammenkoblinger, tett kontrollere eventuelle kjemiske reaksjoner som finner sted mellom komponentene, og sikre at batteriene kan lades og utlades over mange sykluser.

Viktigst av alt, batterier må være trygge. Alle batterier må passere strenge sikkerhetsstandarder før de kan brukes i hjem, i kjøretøy, på fly og så videre. Batterier som lekker kan forårsake dyre skader. Men den alvorligste risikoen er brann. Det kan være at testkriteriene må endres for å tillate nye design som stadig endres.

Og selv om alle disse utfordringene kan overvinnes, dukker et annet spørsmål opp. Vil 3D-batterier være mer kapable enn eksisterende design?

Egorov og co gir en omfattende oversikt over materialene, metodene og utfordringene batteriindustrien står overfor når det gjelder utskrift av fremtidens kraftpakker. Men anmelderne savner et viktig element i fremtidig batteridesign der 3D-utskrift kan ha en viktig rolle å spille.

En av de største og viktigste utfordringene for batteriindustrien er å gjøre produktene deres resirkulerbare. Dagens batterier er spesielt utformet slik at de ikke lett kan tas fra hverandre, så gjenbruk av de verdifulle materialene de inneholder er nesten umulig.

Det passer dårlig for en teknologi som må spille en sentral rolle i samfunnets overgang fra fossilt brensel til fornybar energi.

Så endring er mye nødvendig. Dagens tankegang er at batterier må designes fra starten med tanke på resirkulering, og at dette vil kreve et helt nytt tankesett fra batteridesignere. Fleksibiliteten som 3D-utskrift tillater har potensialet til å kickstarte og akselerere denne sårt tiltrengte revolusjonen.

Mens Egerov og co ignorerer dette problemet (begrepet resirkulering vises ikke i papiret deres), har resten av batteriindustrien ikke råd til det.

Ref: arxiv.org/abs/1912.04400 : Utvikling av 3D-utskriftsmetoder og materialer for elektrokjemisk energilagring

gjemme seg