Учёные напечатали на 3D-принтере микроскопические батарейки

Напечатанная на 3D-принтере структура из анодов и катодов, являющаяся основой микроскопической батарейки. Масштабная линейка − 300 микрометров

(иллюстрация Ke Sun, Teng-Sing Wei, Jennifer A. Lewis, Shen J. Dillon).

Иллюстрация показывает, как сопло 3D-принтера выдавливает необходимое количество материала, из которого создаётся структура из анодов и катодов. Справа изображена конструкция из электродов, помещённая в камеру, заполненную раствором электролита

(фото Ke Sun, Teng-Sing Wei, Jennifer A. Lewis, Shen J. Dillon).

В создании миниатюрной батарейки принимали участие исследователи из Гарвардского университета (Harvard University) и университета Иллинойса (University of Illinois). Им удалось напечатать на 3D-принтере очень маленькие электроды, каждый из которых был толщиной меньше человеческого волоса.

"Конечно же, мы были не первыми, кто смог напечатать на 3D-принтере батарейку, но мы это сделали самым тщательным образом", — заявила ведущий автор исследования Дженнифер Льюис (Jennifer Lewis), профессор Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) и научный сотрудник Института биотехнологии Висса (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering). Льюис работала над проектом в сотрудничестве с Шеном Диллоном (Shen Dillon) в университете Иллинойса.

Напечатанная на 3D-принтере структура из анодов и катодов, являющаяся основой микроскопической батарейки. Масштабная линейка − 300 микрометров (фото Ke Sun, Teng-Sing Wei, Jennifer A. Lewis, Shen J. Dillon).

За последние несколько лет в медицине появилась возможность вживления микроскопических имплантатов, робототехники создавали роботов размером с насекомое, появились миниатюрные камеры и микрофоны. Зачастую батареи и аккумуляторы, снабжающие чудо-устройства энергией, обладают едва ли не большими размерами, чем они сами, что значительно увеличивает размеры самого аппарата.

Чтобы обойти эту проблему, разработчики в основном использовали для создания электродов технологию наслаивания тонких плёнок твёрдого материала. Но в силу сверхтонкости конструкции, эти твёрдые микробатареи не могут снабжать достаточным количеством энергии электронику будущего.

Учёные решили, что можно создать достаточно мощную батарейку, если сконструировать слои из крепко переплетённых ультратонких электродов, построенных вне плоскости. Для этого они использовали технологию 3D-печати. Принтер следует инструкциям компьютерной программы, где была заранее создана трёхмерная модель будущего устройства, и "печатает" физический объект слой за слоем из нужных материалов. Сегодня трёхмерная печать используется в очень многих производственных областях, начиная с медицины и заканчивая оружием и прототипами автомобилей.

Иллюстрация показывает, как сопло 3D-принтера выдавливает необходимое количество материала, из которого создаётся структура из анодов и катодов. Справа изображена конструкция из электродов, помещённая в камеру, заполненную раствором электролита (иллюстрация Ke Sun, Teng-Sing Wei, Jennifer A. Lewis, Shen J. Dillon).

Учёные подготовили специальные материалы, обладающие нужными химическими и электрическими параметрами. Да и сам принтер был не стандартный, а изготовленный по специальному заказу. Прежде чем приступить к непосредственному производству Льюис и её коллеги протестировали несколько видов "чернил". В отличие от чернил, используемых в обычных офисных принтерах, которые фактически капают на лист бумаги, смачивая его, чернила для 3D-принтера должны обладать двумя крайне важными свойствами. Во-первых, порция чернил должна выходить из сопла чёткими порциями, как зубная паста из тюбика, а во-вторых, материал должен немедленно застывать, приняв необходимую форму.

Поэтому чернила для трёхмерной печати должны функционировать как материалы, обладающие электрохимической активностью. Чтобы получить исправно работающие аноды и катоды, используемый материал должен застывать мгновенно в форме тонкого слоя, притом его толщина не должна превышать толщину каждого электрода, используемого в конструировании слоёв из твёрдого материала.

Исследователи решили использовать чернила из наночастиц одного литиево-оксидного соединения для создания анода и из другого вида того же соединения для катода. Чернила, выходящие из сопла, помещались на зубчики двух золотых гребней, и таким образом создавалась крепко связанная структура из анодов и катодов. Полученную конструкцию учёные поместили в микроскопическую камеру, которую затем заполнили раствором электролита и в итоге получили полноценную батарейку.

На следующем этапе работы необходимо было понять, сколько энергии сможет вместить такая мини-батарейка, каким количеством энергии она сможет снабжать устройство и как долго держит заряд. "По электрохимическим свойствам, соотношению заряда и разряда, сроку эксплуатации и энергоёмкости она, в принципе, сравнима с батарейками, которые люди покупают на кассе в супермаркете. Только наше устройство во много раз меньше", — сообщает Диллон в пресс-релизе.

"Работа Льюис и Диллона не только в очередной раз показывает удивительные способности 3D-печати, но и открывает новые возможности для создания микроскопической электроники, используемой как в медицине, так и в других производственных областях. Я считаю, что это настоящий прорыв", — говорит основатель и директор Института Висса Дональд Ингбер (Donald Ingber).

О своей работе исследователи рассказали в статье, которая вышла 18 июня 2013 года в журнале Advanced Materials.

 Также по теме:

Младенца спасли от разрыва бронхов при помощи напечатанной на 3D-принтере трубки 
На 3D-принтере напечатали идеальное ухо 
Специалисты MIT соединили живую ткань и электронику  
Инженеры представили растягивающийся в три раза аккумулятор 
Созданы лучшие серебряные чернила для печати гибкой электроники