(Phys.org) —3D-printen kan nu worden gebruikt om lithium-ion-microbatterijen ter grootte van een zandkorrel te printen. De gedrukte microbatterijen kunnen elektriciteit leveren aan kleine apparaten op gebieden van geneeskunde tot communicatie, waaronder velen die op laboratoriumbanken zijn blijven hangen bij gebrek aan een batterij die klein genoeg is om in het apparaat te passen, toch voldoende opgeslagen energie leveren om ze van stroom te voorzien.

Om de microbatterijen te maken, een team van de Harvard University en de University of Illinois in Urbana-Champaign drukte nauwkeurig verweven stapels kleine batterij-elektroden af, elk minder dan de breedte van een mensenhaar.

"We hebben niet alleen voor het eerst aangetoond dat we een batterij kunnen 3D-printen, we hebben het op de meest rigoureuze manier aangetoond, " zei Jennifer Lewis, doctoraat, senior auteur van de studie, die ook de Hansjörg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering is aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en een kernfaculteitslid van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University. Lewis leidde het project in haar eerdere functie aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, in samenwerking met co-auteur Shen Dillon, een assistent-hoogleraar Materials Science and Engineering daar.

De resultaten worden op 18 juni online gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

In de afgelopen jaren hebben ingenieurs veel geminiaturiseerde apparaten uitgevonden, inclusief medische implantaten, vliegende insectenachtige robots, en kleine camera's en microfoons die op een bril passen. Maar vaak zijn de batterijen die ze van stroom voorzien net zo groot of groter dan de apparaten zelf, wat het doel van klein bouwen teniet doet.

Om dit probleem te omzeilen, fabrikanten hebben traditioneel dunne films van vaste materialen afgezet om de elektroden te bouwen. Echter, dankzij hun ultradunne ontwerp, deze solid-state microbatterijen bevatten niet voldoende energie om de geminiaturiseerde apparaten van morgen van stroom te voorzien.

De wetenschappers realiseerden zich dat ze meer energie konden inpakken als ze stapels strak verweven, ultradunne elektroden die uit het vlak werden gebouwd. Hiervoor wendden ze zich tot 3D-printen. 3D-printers volgen instructies van driedimensionale computertekeningen, het deponeren van opeenvolgende lagen materiaal - inkten - om een ​​fysiek object vanaf de grond op te bouwen, net als het een voor een stapelen van een pak kaarten. De techniek wordt op verschillende gebieden toegepast, van het maken van kronen in tandtechnische laboratoria tot het snel prototypen van lucht- en ruimtevaart, auto, en consumptiegoederen. Lewis' groep heeft de mogelijkheden van 3D-printen enorm uitgebreid. Ze hebben een breed scala aan functionele inkten ontworpen:inkten met nuttige chemische en elektrische eigenschappen. En ze hebben die inkten gebruikt met hun op maat gemaakte 3D-printers om precieze structuren te creëren met de elektronische, optisch, mechanisch, of biologisch relevante eigenschappen die ze willen.

Om 3D-elektroden te printen, Lewis' groep creëerde en testte eerst verschillende gespecialiseerde inkten. In tegenstelling tot de inkt in een kantoorinkjetprinter, die eruit komt als druppeltjes vloeistof die de pagina nat maken, de inkten die zijn ontwikkeld voor op extrusie gebaseerd 3D-printen moeten aan twee moeilijke eisen voldoen. Ze moeten fijne spuitmondjes als tandpasta uit een tube laten komen, en ze moeten onmiddellijk uitharden tot hun definitieve vorm.

In deze video, een mondstuk van een 3D-printer dat smaller is dan een mensenhaar, legt laag voor laag een speciaal samengestelde "inkt" neer om de anode van een microbatterij vanaf de grond op te bouwen. In tegenstelling tot inkt in een kantoorinkjetprinter, die eruit komt als druppeltjes vloeistof en een stuk papier nat maakt, deze 3D-printerinkten zijn speciaal ontwikkeld om het mondstuk als tandpasta uit een tube te verlaten, harden vervolgens onmiddellijk uit tot lagen die zo smal zijn als die geproduceerd door dunne-film productiemethoden. In aanvulling, de inkten bevatten nanodeeltjes van een lithiummetaaloxideverbinding die de anode de juiste elektrische eigenschappen geven. Krediet:Teng-Sing Wei, Bok Joep Ahn, Jennifer Lewis

In dit geval, de inkten moesten ook functioneren als elektrochemisch actieve materialen om werkende anodes en kathoden te creëren, en ze moesten uitharden tot lagen die net zo smal zijn als die geproduceerd door dunne-filmproductiemethoden. Om deze doelen te bereiken, de onderzoekers maakten een inkt voor de anode met nanodeeltjes van een lithiummetaaloxideverbinding, en een inkt voor de kathode van nanodeeltjes van een ander. De printer bracht de inkten aan op de tanden van twee gouden kammen, het creëren van een strak verweven stapel anoden en kathoden. Vervolgens verpakten de onderzoekers de elektroden in een kleine container en vulden deze met een elektrolytoplossing om de batterij te voltooien.

Volgende, ze maten hoeveel energie er in de kleine batterijen kon worden gestopt, hoeveel stroom ze konden leveren, en hoe lang ze een lading vasthielden. "De elektrochemische prestatie is vergelijkbaar met die van commerciële batterijen in termen van laad- en ontlaadsnelheid, levensduur en energiedichtheid. We kunnen dit alleen op veel kleinere schaal bereiken, ' zei Dillon.

"Jennifer's innovatieve microbatterij-inktontwerpen breiden het praktische gebruik van 3D-printen drastisch uit, en tegelijkertijd geheel nieuwe mogelijkheden openen voor miniaturisering van alle soorten apparaten, zowel medisch als niet-medisch. Het is enorm spannend, " zei Wyss oprichter Donald Ingber, MD, doctoraat