Voor de eerste keer, onderzoekers hebben met succes een volledig, zij het experimenteel, lithium-ionbatterij inclusief een elektrolyt in vaste toestand. Hoewel eerder elektroden zijn geproduceerd met behulp van 3D-printtechnologie, onderzoekers van de Universiteit van Illinois aan het Chicago College of Engineering hebben een stabiele, maar flexibel, elektrolyt in vaste toestand met behulp van een extrusiedruktechniek bij verhoogde temperatuur. Ze rapporteren hun bevindingen in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Lithium-ionbatterijen worden vaak gebruikt in huishoudelijke en draagbare elektronica, en in sommige motorvoertuigen. Ze werken door de beweging van lithiumionen van de negatieve elektrode door een elektrolyt, die vloeibaar of vast kan zijn, naar de positieve elektrode tijdens de ontlading en dan terug tijdens de laadfase.

De massaproductie van deze batterijen is een arbeidsintensief en duur proces. De elektroden en elektrolyt, die afzonderlijk worden vervaardigd, moeten worden samengebracht en in een behuizing worden geplaatst. Er is een gecontroleerde omgeving nodig om besmetting te voorkomen en er zijn veel coatings en aanpassingen nodig om de batterij te voltooien. Met conventionele productie, batterijformaten kunnen niet gemakkelijk worden gewijzigd, evenmin kunnen individuele batterijen worden aangepast aan specifieke apparaten, omdat het zou vereisen dat de machines die worden gebruikt om de batterijen te produceren, worden gereset naar nieuwe specificaties.

Met 3D-printen kunnen batterijen veel sneller en goedkoper worden geproduceerd en aangepast, omdat alle onderdelen tegelijk worden geprint. In lithium-ionbatterijen waar de elektroden 3D-geprint zijn, de conventioneel geproduceerde elektrolyt is altijd achteraf in een aparte stap toegevoegd.

Bij de conventionele productie van elektrolyten in vaste toestand, batterijbehuizingen moeten worden voorbereid met verschillende coatings en oplosmiddelen die worden gebruikt bij de productie van de elektrolyt, die vervolgens in een postproductiestap moet worden verdampt. Als een elektrolyt rechtstreeks in een zich vormende 3D-geprinte batterij wordt geprint, verdamping zou ervoor zorgen dat de elektrolyt krimpt en wegtrekt van de elektroden. Hierdoor kan de batterij kortsluiting veroorzaken. Coatings die worden gebruikt om ervoor te zorgen dat het elektrolyt goed contact maakt met de behuizingen en elektroden, zijn ook uiterst moeilijk te verwerken in een 3D-geprinte batterij.

Om deze problemen te omzeilen, Reza Shahbazian-Yassar, Collega Professor, en Yayue Pan, universitair docent werktuigbouwkunde en industriële techniek aan het UIC College of Engineering, samen met collega's een unieke 3D-printer ontworpen die werkt bij een verhoogde temperatuur. Het extrudeert materialen bij ongeveer 120 graden Celsius in vergelijking met traditioneel 3D-extrusie-printen, die bij kamertemperatuur plaatsvindt. Hun elektrolyt-inkt in vaste toestand bestaat uit een polymeerbasis die titaniumoxidedeeltjes bevat waardoor het flexibel is, maar ook functioneel. De unieke elektrolyt-inkt kan tijdens het printen direct in de batterij worden gedeponeerd.

"De hoge temperatuur voorkomt krimp na de productie, " zei Meng Cheng, een afgestudeerde student aan het UIC College of Engineering en hoofdauteur van de studie. "Onze techniek verbetert de efficiëntie van de voorbereiding van de elektrolyt en de opname ervan in de batterij aanzienlijk."

De experimentele 3D-geprinte batterijen van Shahbazian-Yassar hadden een hogere laad-/ontlaadcapaciteit en betere prestaties dan batterijen waarbij de elektrolyt op traditionele wijze werd vervaardigd. "Het directe schrijven bij verhoogde temperatuur en onze gespecialiseerde inkten is het proof-of-concept dat 3D-geprinte lithium-ionbatterijen mogelijk zijn, ' zei Reza.