Литиево-ионные аккумуляторы можно печатать при комнатной температуре

Для печати анодов литиево-ионных батареек используются чернила с наночастицами лития и оксида титана

(фото Harvard SEAS).

Чернила изначально хранятся практически в твёрдом состоянии, но после приложения определённого давления текут, словно жидкость

(фото Harvard SEAS).

Диаметр кончика сопла, из которого выходят чернила, составляет всего несколько микрометров

(фото Harvard SEAS).

Процесс печати микроскопической батарейки

(фото Harvard SEAS).

Гарвардский материаловед Дженнифер Льюис (Jennifer Lewis) вместе со своими коллегами разработала новую технологию 3D-печати для быстрого и лёгкого производства электроники. С помощью аддитивного производства в будущем можно будет "печатать" биомедицинские датчики с автономным питанием, литиево-ионные батарейки любого размера и для любых устройств, а также, к примеру, пластиковые корпусы слухового аппарата по индивидуальному заказу.

Несмотря на то, что технология пока находится на ранней стадии разработки, в будущем она может стать основой быстрого производства высокотехнологичных электронных устройств.

Многие устройства и детали учёные уже научились производить послойно на 3D-принтере. Но настоящим прорывом в будущем станет печать электроники, для которой все составляющие, как правило, производятся отдельно, после чего собираются вручную.

Для печати анодов литиево-ионных батареек используются чернила с наночастицами лития и оксида титана (фото Harvard SEAS).

Единственный компонент многих электронных устройств, который всегда требует регулярной замены, это батарейки. Если и само устройство, и аккумулятор "напечатать" единовременно, то создание конечного продукта будет значительно упрощено.

Для осуществления этой идеи Льюис и её коллеги сделали два важных шага, о чём написали в статье журнала Advanced Materials. Во-первых, они создали целый арсенал различного рода "чернил" для 3D-принтера будущего, которые при затвердении образуют настоящую батарейку с простыми компонентами, включая электроды, провода и антенны.

Во-вторых, учёные разработали новую модель сопла с экструдерами высокого давления для 3D-принтера промышленного класса. Они потенциально способны выдавать простые батарейки и другие компоненты электроники.

Все образцы чернил, разработанных Льюис и её командой, содержат наночастицы, из которых необходимо изготовить тот или иной объект. К примеру, для создания аккумуляторов используются чернила с литием и с серебром для проводов.

Чернила изначально хранятся практически в твёрдом состоянии, но после приложения определённого давления текут, словно жидкость (фото Harvard SEAS).

Наночастицы смешаны с разнообразными химическими растворами, благодаря которым чернила изначально хранятся практически в твёрдом состоянии, но после приложения определённого давления текут, словно жидкость. При этом они также быстро застывают после выхода из сопла, что позволяет увеличить скорость производства.

Печать одной литиево-ионной батарейки занимает всего несколько минут, поскольку одновременно в принтере работает не одно, а несколько сотен сопел, выдавливающих разные чернила.

В отличие от традиционных технологий аддитивного производства, которые требуют высокотемпературной плавки чернил с последующим застыванием, принтер Льюис может работать при комнатной температуре. Это позволит печатать объекты из разных материалов без риска повреждения какого-либо из них.

"В батарейках, которые мы производим на 3D-принтерах, нет ничего нового. Нова сама технология их производства, именно её мы называем революционной", — сообщает Льюис в пресс-релизе.

Процесс печати микроскопической батарейки (фото Harvard SEAS).

Достижение, которым команда инженеров особенно гордится, это печать наноразмерных литиево-ионных батареек. При микроскопических размерах они являются столь же производительными, как и обычные коммерческие аккумуляторы: их миниатюрная архитектура в точности повторяет структуру большего размера. Эти батарейки могут использоваться как для биоинженерных устройств, размеры которых должны быть микроскопическими, так и для гибкой электроники.

На сегодняшний день у Льюис и её исследовательской группы 8 патентов на методику производства чернил для 3D-принтеров. Команда учёных уже подумывает о коммерциализации технологии, что может произойти в ближайшие годы. Также Льюис обмолвилась об идее создания аналогичного принтера для домашнего использования.

Также по теме:
Учёные напечатали на 3D-принтере микроскопические батарейки
Созданы лучшие серебряные чернила для печати гибкой электроники
Специалисты MIT соединили живую ткань и электронику
Для космических ракет и кораблей детали будут печататься на 3D-принтере
Жидкий металл можно будет использовать для 3D-печати
Представлен первый металлический пистолет, напечатанный на 3D-принтере