Är 3D-utskrift framtiden för batteridesign?

Batterier Getty

En av de möjliggörande teknologierna i vår livsstil under 2000-talet är litiumjonbatteriet. Dessa energipaket möjliggör mobiltelefoner och elbilar, bärbara datorer och sjukvårdsenheter, robotar och fjärrstyrda sensorer och mycket mer. Kanske inte överraskande, tidigare i år belönades deras utvecklare med Nobelpriset i kemi.

Men materialforskare behöver desperat bättre batterier för Internet of Things, för nästa generations personliga enheter och mycket mer. Bättre batterier kommer också att användas för att spela en stor roll för att lagra energi från förnybara, men inkonstanta, källor som vinden och solen.

Batteriets prestanda är resultatet av många olika faktorer. Energitätheten är avgörande; så är förmågan att hålla laddningen utan att den läcker bort. Sedan finns det uppladdningsbarhet – inte bara en gång utan tusentals eller tiotusentals gånger – och, naturligtvis, säkerhet.

Elektrokemister vet bara alltför väl hur känslig denna balansgång är. Följaktligen är batteritillverkare försiktiga med att prova nya tillvägagångssätt, så att inte en aspekt av prestanda sjunker. Så förbättringar är vanligtvis inkrementella och små. Varifrån kommer sannolikt de stora förbättringarna vi behöver?

Idag får vi ett slags svar: framtidens batterier kommer att tillverkas via 3D-utskrift, säger Vladimir Egorov vid University of Cork i Irland och några kollegor. Dessa personer har undersökt de olika nya utskriftsteknikerna för batterier och föreslår att detta kommer att möjliggöra en ny generation av mindre, mer kapabla enheter.

Först lite bakgrund. 3D-utskrift är den allmänna termen för en mängd olika tekniker som gör att tredimensionella objekt kan konstrueras genom att lägga till material lager för lager. Det kan vara ett sätt att göra prototypdesigner för testning – för att inte tala om exotiska livsmedel, ersättningskroppsdelar och till och med hela byggnader. Att använda många tryckmaskiner parallellt möjliggör massproduktion av föremål som bil- och flygplansdelar och skor. Och när en ny design är tillgänglig kan den skrivas ut snabbt, med minimal omkonfigurering av ett fabriksutrymme.

Materialforskare har också börjat experimentera med sätt att skriva ut elektroniska kretsar med polymerbläck och en silverpolymer för spår, så lödning behövs inte längre. På så sätt kan kretskort anta mer eller mindre vilken form som helst och till och med utgöra en del av en enhets struktur.

En betydande begränsning är dock behovet av att införliva konventionella batterier, som finns i specifika storlekar och former.

Möjligheten att skriva ut 3D-batterier kommer att ändra på det. Om de kan tryckas för att sömlöst integreras i produktdesignen, av såväl estetiska som komfort- eller funktionsskäl, behöver det mer skrymmande och fasta standardbatteriet inte rymmas i produktdesignstadiet, säger Egorov och co.

Detta är lättare sagt än gjort. De elektroaktiva materialen som används i batterier är i sig reaktiva och strukturer som anoder och katoder är fysiskt komplexa. De måste ofta beställas som kristaller, och ibland porösa som molekylära svampar. De måste alltid vara kemiskt väl karakteriserade.

Det är utmanande att skapa versioner av dessa material som är lämpliga för 3D-utskrift, antingen genom extrudering av ett fast eller vätska eller genom polymerisation av vätska. När de väl har skrivits ut måste dessa material bibehålla sina elektriska kopplingar, noggrant kontrollera alla kemiska reaktioner som äger rum mellan komponenterna och säkerställa att batterierna kan laddas och laddas ur under många cykler.

Viktigast av allt, batterier måste vara säkra. Alla batterier måste klara strikta säkerhetsstandarder innan de kan användas i hem, i fordon, på flygplan och så vidare. Batterier som läcker kan orsaka dyra skador. Men den allvarligaste risken är brand. Det kan vara så att testkriterierna måste ändras för att möjliggöra nya konstruktioner som ständigt förändras.

Och även om alla dessa utmaningar kan övervinnas, hägrar en annan fråga. Kommer 3D-batterier att vara mer kapabla än befintliga konstruktioner?

Egorov och co ger en omfattande översikt över de material, metoder och utmaningar som batteriindustrin står inför när det gäller att skriva ut framtidens kraftpaket. Men recensenterna missar ett viktigt inslag i framtida batteridesign där 3D-utskrift kan ha en viktig roll att spela.

En av de största och viktigaste utmaningarna för batteriindustrin är att göra sina produkter återvinningsbara. Dagens batterier är speciellt utformade så att de inte lätt kan tas isär, så att återanvända de värdefulla materialen de innehåller är nästan omöjligt.

Det passar inte bra för en teknik som kommer att behöva spela en central roll i samhällets omställning från fossila bränslen till förnybar energi.

Så förändring är välbehövlig. Den nuvarande tanken är att batterier måste designas från början med återvinning i åtanke, och att detta kommer att kräva ett helt nytt tänkesätt från batteridesigners. Flexibiliteten som 3D-utskrift tillåter har potentialen att kickstarta och påskynda denna välbehövliga revolution.

Medan Egerov och co ignorerar denna fråga (termen återvinning förekommer inte i deras tidning), har resten av batteriindustrin inte råd med det.

Ref: arxiv.org/abs/1912.04400 : Utveckling av 3D-utskriftsmetoder och material för elektrokemisk energilagring

Dölj