Er 3D-print fremtiden for batteridesign?

Batterier Getty

En af de muliggørende teknologier i vores livsstil i det 21. århundrede er lithium-ion-batteriet. Disse energipakker muliggør mobiltelefoner og elbiler, bærbare computere og sundhedsudstyr, robotter og fjernbetjente sensorer og meget mere. Måske ikke overraskende blev deres udviklere tidligere i år tildelt Nobelprisen i kemi.

Men materialeforskere har desperat brug for bedre batterier til tingenes internet, til den næste generation af personlige enheder og meget mere. Bedre batterier vil også blive brugt til at spille en stor rolle i at lagre energien fra vedvarende, men ukonstante, kilder som vinden og solen.

Batteriydelsen er resultatet af mange forskellige faktorer. Energitæthed er afgørende; det samme er evnen til at holde ladningen uden at den lækker væk. Så er der genopladelighed – ikke bare én gang, men tusindvis eller titusindvis af gange – og selvfølgelig sikkerhed.

Elektrokemikere ved kun alt for godt, hvor delikat denne balancegang er. Som følge heraf er batteriproducenter forsigtige med at prøve nye tilgange, så et aspekt af ydeevnen ikke falder. Så forbedringer er normalt trinvise og små. Hvor kommer de store forbedringer, vi har brug for, sandsynligvis fra?

I dag får vi et slags svar: Fremtidens batterier vil blive lavet via 3D-print, siger Vladimir Egorov ved University of Cork i Irland og et par kolleger. Disse folk har undersøgt de forskellige nye udskrivningsteknikker for batterier og foreslår, at dette vil muliggøre en ny generation af mindre, mere dygtige enheder.

Først lidt baggrund. 3D-print er den generelle betegnelse for en række forskellige teknikker, der gør det muligt at konstruere tredimensionelle objekter ved at tilføje materiale lag for lag. Det kan være en måde at lave prototypedesign til test - for ikke at nævne eksotiske fødevarer, udskiftningskropsdele og endda hele bygninger. Brug af mange trykkemaskiner parallelt tillader masseproduktion af emner som bil- og flydele og sko. Og når et nyt design er tilgængeligt, kan det udskrives hurtigt med minimal omkonfiguration af en fabriksplads.

Materialeforskere er også begyndt at eksperimentere med måder at udskrive elektroniske kredsløb på ved hjælp af polymerblæk og en sølvpolymer til spor, så lodning er ikke længere nødvendig. På denne måde kan printkort antage mere eller mindre enhver form og endda udgøre en del af en enheds struktur.

En væsentlig begrænsning er imidlertid behovet for at inkorporere konventionelle batterier, som kommer i bestemte størrelser og former.

Muligheden for at printe 3D-batterier vil ændre det. Hvis de kan printes til problemfrit at integreres i produktdesignet, både af æstetiske og komfortmæssige eller funktionelle årsager, behøver det mere omfangsrige standardbatteri med fast formfaktor ikke at være plads til på produktdesignstadiet, siger Egorov og co.

Dette er lettere sagt end gjort. De elektroaktive materialer, der anvendes i batterier, er i sagens natur reaktive, og strukturer som anoder og katoder er fysisk komplekse. De skal ofte bestilles som krystaller og nogle gange porøse som molekylære svampe. De skal altid være kemisk velkarakteriserede.

Det er udfordrende at skabe versioner af disse materialer, der er velegnede til 3D-print, hvad enten det er ved ekstrudering af et fast stof eller en væske eller ved polymerisation af væske. Når de først er udskrevet, skal disse materialer bevare deres elektriske forbindelser, nøje kontrollere eventuelle kemiske reaktioner, der finder sted mellem komponenter, og sikre, at batterierne kan oplades og aflades over mange cyklusser.

Vigtigst af alt, batterier skal være sikre. Alle batterier skal opfylde strenge sikkerhedsstandarder, før de kan bruges i hjemmet, i køretøjer, på fly og så videre. Batterier, der lækker, kan forårsage dyre skader. Men den alvorligste risiko er brand. Det kan være, at testkriterierne skal ændres for at tillade nye designs, der konstant ændrer sig.

Og selvom alle disse udfordringer kan overvindes, er der et andet spørgsmål. Vil 3D-batterier være mere egnede end eksisterende designs?

Egorov og co giver et omfattende overblik over de materialer, metoder og udfordringer, som batteriindustrien står over for med at printe fremtidens strømpakker. Men anmelderne savner et vigtigt element i fremtidens batteridesign, hvor 3D-print kan have en vigtig rolle at spille.

En af de største og vigtigste udfordringer for batteriindustrien er at gøre deres produkter genanvendelige. Nutidens batterier er specielt designet, så de ikke let kan skilles ad, så genbrug af de værdifulde materialer, de indeholder, er næsten umuligt.

Det passer ikke for en teknologi, der skal spille en central rolle i samfundets omstilling fra fossile brændstoffer til vedvarende energi.

Så forandring er tiltrængt. Den nuværende tankegang er, at batterier skal designes fra starten med genbrug for øje, og at det vil kræve et helt nyt mindset fra batteridesignere. Den fleksibilitet, som 3D-print muliggør, har potentialet til at kickstarte og accelerere denne hårdt tiltrængte revolution.

Mens Egerov og co ignorerer dette problem (begrebet genbrug optræder ikke i deres papir), har resten af ​​batteriindustrien ikke råd til det.

Ref: arxiv.org/abs/1912.04400 : Udvikling af 3D-printmetoder og -materialer til elektrokemisk energilagring

skjule