Поможет ли 3d печать создавать батареи в будущем?

  • 5
    Поделились

Эта технология обещает появление более емких батарей меньшего размера, которые могут интегрироваться в продукты, и возможно, обладать возможностью повторного использования.

Одной из наиболее обещающих технологий нашей жизни в 21-м веке стали ионно-литиевые перезаряжаемые батареи. Эти энергетические пакеты сделали возможными появление мобильных телефонов и электрических автомобилей, ноутбуков и устройств по уходу за больными, роботов и дистанционно управляемых датчиков и многого другого. Возможно, не стоит удивляться, что в ранее, в 2019-м году разработчики этих батарей получили Нобелевскую премию по химии.

Однако специалистам по материалам для развития интернета вещей, персональных устройств нового поколения, и т.п., очень нужны батареи с более высокими возможностями. Улучшенные батареи также призваны сыграть важную роль в хранении энергии из возобновляемых, не постоянных источников, таких как ветер и солнце.

Характеристики батарей определяются множеством различных факторов. Наиболее критичным является энергетическая плотность, то есть способности хранить заряд без его утечек. Затем идет способность к перезарядке – не однократной, но позволяющей перезаряжать батарею тысячи и десятки тысяч раз. Ну и, конечно, безопасность.

Специалисты по электрохимии слишком хорошо знают, как сложно добиться баланса этих характеристик. Поэтому производители батарей осторожно относятся к новым подходам, чтобы не позволить снизиться каким-либо аспектам характеристик. Это приводит к тому, что улучшения обычно незначительны, и имеют инкрементальный характер. Откуда, скорее всего, могут появиться те значительные улучшения, в которых мы нуждаемся?

Сегодня мы получаем ответ на этот вопрос – батареи будущего будут изготавливаться при помощи 3d печати, говорят Владимир Егоров и его коллеги из Ирландского Университета в Корке. Они изучили различные новые технологии печати с точки зрения применения их для батарей, и предположили, что возможно создать новое поколение более емких батарей, которые будут иметь меньший размер.

Вначале, некоторые предпосылки. Термин “3d печать” – это обобщенный термин для различных технологий, позволяющих создавать трехмерные объекты путем добавления материала слой за слоем. Это может быть способ создания прототипов конструкций для их тестирования – не говоря уже об экзотических продуктах питания, замены органов тела и даже строительства зданий. Одновременное использование множества 3d принтеров дает возможность массового производства таких элементов, как детали автомобилей и самолетов, и элементов обуви. И, когда появляется новый дизайн деталей, то их выпуск может быть быстро организован с минимальными перестройками пространства фабрики.

Специалисты по материалам также начали экспериментировать со способами печати электронных схем, используя полимерные чернила и серебряный полимер для дорожек, что позволит исключить процесс пайки. Полученные таким образом печатные платы могут иметь более или менее произвольные формы, и даже быть частью структуры устройства.

Однако важным ограничением все еще является использование традиционных батарей, имеющих конкретные размеры и формы.

Это ограничение может снять 3d печать батарей. «Если их можно печатать, сразу интегрируя в структуру продукта, как по эстетическим, так и по функциональным соображениям, то громоздкие и имеющие фиксированный форм-фактор стандартные батареи не потребуется учитывать на стадии проектирования продукта», – говорят Егоров и его группа.

Но сказать это легче, чем сделать. Используемые в батареях электроактивные материалы, по своей природе имеют реактивный характер, и такие структуры как аноды и катоды являются физически сложными. Они часто должны быть упорядоченными, как кристаллы, а иногда – пористыми, как молекулярные губки. И во всех случаях, они должны иметь четко определенные химические характеристики.

Поможет ли 3d печать создавать батареи в будущем?

Создание вариантов таких материалов, которые были бы пригодны для 3d печати, является сложной задачей, будь это экструзия твердого или жидкого материала или полимеризация жидкого материала. После нанесения, эти материалы должны сохранять свою электрическую взаимосвязь, надежно контролировать любую химическую реакцию, которая имеет место между компонентами, и гарантировать, что батарея может заряжаться и разряжаться много раз.

Но самым важным требованием является безопасность батарей. Все батареи, прежде чем их можно будет использовать в домах, автомобилях, самолетах и т.д., должны проходить проверку на соответствие жестким стандартам безопасности. Протекающая батарея может вызвать значительные повреждения. Но наиболее серьезный риск несет пламя. Может оказаться, что придется изменять критерии испытаний, чтобы разрешить появление постоянно изменяющихся новых батарей.

Но даже, если все эти проблемы удастся преодолеть, остается еще один вопрос. Будут ли полученные на 3d принтерах батареи иметь емкость, превышающую емкость сегодняшних батарей?

Егоров и его группа предоставили обширный обзор материалов, методов, и проблем, с которыми столкнется батарейная отрасль при печати батарей в будущем. Но при этом они опустили важный элемент будущей конструкции батарей, в котором 3d печать может сыграть важную роль.

Одной из самых крупных и самых важных проблем отрасли, выпускающей батареи, является обеспечение их переработки для повторного использования материалов. Сегодняшние батареи специально сконструированы таким образом, что их было нелегко разобрать, а это делает почти невозможным повторное использование содержащихся в них ценных материалов.

Это не очень подходит для технологии, которая должна будет играть важную роль в переходе общества от использования ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии.

Поэтому изменения весьма необходимы. Сегодняшние представления говорят о том, что батареи должны проектироваться с учетом повторного использования их материалов, а это требует совершенно нового подхода дизайнов батарей. Гибкость, которую обеспечивает 3d печать, обладает этим потенциалом для запуска и ускорения этой столь необходимой революции.

Хотя Егоров с коллегами и игнорируют этот вопрос (термин «переработка» не используется в их статье), вся остальная отрасль производства батарей не может себе позволить этого.


  • 5
    Поделились

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *