UNSW-ingenieurs hebben een proces ontwikkeld om polymeerelektrolyten in vaste toestand in elke gewenste vorm te printen voor gebruik in energieopslag.

Het onderzoeksteam van de School of Chemical Engineering onder leiding van professor Cyrille Boyer, waaronder Dr. Nathaniel Corrigan en Kenny Lee, zegt dat het 3D-printproces van dergelijk materiaal bijzonder nuttig kan zijn in toekomstige medische apparaten waar kleine, ingewikkeld ontworpen energieopslag een aantal van voordelen.

Vastestofelektrolyten zijn een belangrijk onderdeel van vastestofbatterijen, hoewel ze traditioneel te lijden hebben gehad van slechte prestaties als gevolg van lage ionische geleidbaarheid of slechte mechanische eigenschappen.

Echter, in een paper gepubliceerd in Advanced Materials , meldt het team van UNSW dat hun 3D-geprinte vaste polymeerelektrolyt (SPE) een hoge geleidbaarheid en robuuste sterkte biedt.

Dit betekent dat de elektrolyten in vaste toestand mogelijk kunnen worden gebruikt als de eigenlijke structuur van een apparaat, waardoor een reeks denkbare ontwerpmogelijkheden ontstaat, met name voor toekomstige medische producten.

"Niemand heeft eerder 3D-geprinte vaste polymeerelektrolyten. Traditioneel werden ze gemaakt met behulp van een mal, maar eerdere processen boden niet de mogelijkheid om de sterkte van het materiaal te beheersen of om het in complexe vormen te vormen", zegt Kenny Lee.

"Met bestaande elektrolyten in vaste toestand, wanneer je de mechanische sterkte van het materiaal verhoogt, offer je veel van de geleidbaarheid op. Als je een hogere geleidbaarheid wilt, is het materiaal veel minder robuust. Wat we hebben bereikt, is een gelijktijdige combinatie van beide, wat kan worden 3D-geprint in geavanceerde geometrieën.

"Deze polymeerelektrolyt heeft het potentieel om een ​​dragend materiaal voor energieopslag te zijn. Vanwege zijn sterkte kan het worden gebruikt als de eigenlijke structuur van kleine elektronica, of in ruimtevaarttoepassingen, of in kleine persoonlijke medische apparaten gezien ons 3D-printproces kan heel ingewikkeld en precies zijn.

"We kunnen heel kleine structuren maken met het soort systemen dat we gebruiken. Het heeft dus een fantastische toepassing in nanotechnologie en overal waar je energieopslag op microschaalniveau moet ontwerpen."

Verhoogde fietsstabiliteit

Hoewel de door het UNSW-team ontwikkelde vaste polymeerelektrolyt wordt beschouwd als een hoogwaardig materiaal, zeggen de onderzoekers dat het kan worden vervaardigd met goedkope en commercieel beschikbare 3D-printers, in plaats van geavanceerde technische apparatuur.

De SPE die in het artikel wordt beschreven, is samengesteld uit ionengeleidende kanalen op nanoschaal die zijn ingebed in een stijve verknoopte polymeermatrix. Het wordt geproduceerd via een proces dat bekend staat als polymerisatie-geïnduceerde microfasescheiding (PIMS).

To showcase the versatility of the material, the researchers 3D printed an intricate map of Australia which was then tested as an energy storage device.

"One of the other benefits of this SPE in energy storage devices is the fact it increases the cycling stability—that is the number of charging and discharging cycles until its capacity is reduced to a certain amount," says Dr. Corrigan.

"In our paper, we show that this material is very stable and has the ability to charge and discharge over thousands of cycles. After 3,000 cycles there was only roughly a 10% drop."

The researchers say 3D printing also reduces wastage compared to other traditional forms of manufacturing and reduces costs since the same machine can be used to produce a variety of differently shaped materials.

In future, they say product designers could utilize their SPE to create items with a much higher energy storage density.

"Imagine an earpod predominantly made out of this material, which is also acting as the battery. The storage density will be much higher and the power would therefore last longer," says Professor Boyer.

"We really hope to be able to push forward in terms of commercialization because we've created some really incredible materials and processes." + Verder verkennen

New path for next-generation polymer-based battery design