Drukarki 3D mogą umożliwić budowę zminiaturyzowanych implantów medycznych, kompaktowej elektroniki, małych robotów. Ostatnim osiągnięciem było wykorzystanie drukarki 3D do stworzenia litowo-jonowej mikrobaterii wielkości ziarnka piasku.
Mikrobateria może dostarczać energię elektrycznej do małych urządzeń w zakresie od medycyny do komunikacji. Obecnie brakuje baterii wystarczająco małych, aby je zmieścić w urządzeniu i jednocześnie zapewnić wystarczającą ilość zmagazynowanej energii do zasilania.
Zespół oparty na naukowcach z Harvardu University i University of Illinois drukował stosy ściśle powiązanych ze sobą maleńkich elektrod baterii, każdej o szerokości mniejszej niż szerokość ludzkiego włosa.
Drukarka 3D, drukująca żółwia.
Ostatnimi czasy inżynierowie wynaleźli wiele miniaturowych urządzeń, w tym implanty medyczne, latające owady, roboty, małe kamery i mikrofony, które pasują na okulary. Często, baterie do zasilania urządzeń, których musieli użyć były większe i cięższe od samego urządzenia.
Aby obejść ten problem, producenci próbowali budować baterie złożone z cienkich warstw. Jednak ze względu na ich ultracienką konstrukcję, te półprzewodnikowe mikrobaterie nie były w stanie magazynować wystarczającej ilość energii do zasilania miniaturowych urządzeń jutra.
Naukowcy zrozumieli, że mogą zmagazynować więcej energii, gdy stworzą stosy mocno splecionych ultracienkich elektrod. Do tego celu wykorzystali drukarkę 3D.
Najpierw powstał trójwymiarowy projekt komputerowy. Istotą projektu było to, że składa się on z kolejnych warstw materiału układanych segment po segmencie. Technika ta jest stosowana w wielu dziedzinach, od produkcji koron w laboratoriach dentystycznych w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym. Naukowcy zaprojektowali szeroką gamę funkcjonalnych “farb“, które pozwoliły stworzyć precyzyjne struktury o określonych właściwościach chemicznych i elektrycznych.
W przeciwieństwie do atramentowej drukarki biurowej, w której tusz wychodzi w postaci kropelek, farby opracowane do wytłaczania druku 3D muszą spełniać dwa trudne wymagania. Farba ma zachowywać się jak pasta do zębów wyciskana z tubki, która po wypłynięciu musi natychmiast twardnieć.
Inżynierowie użyli nanocząstek ze związkami tlenku litu do produkcji katod i anod wytłaczanych przez dyszę węższą niż ludzki włos (30 mikronów). Następnie ściśle przeplatany stos katod i anod zapakowano do małego pojemnika wypełnionego elektrolitem.
Kolejnym krokiem było zmierzenie pojemności baterii, ilości dostarczanego przez nią ładunku oraz czasu jego magazynowania. “Wydajność jest porównywalna do typowych baterii elektrochemicznych pod względem szybkości ładowania i rozładowania, cyklu życia i gęstości energii. Jesteśmy w stanie osiągnąć to samo tylko dużym pomniejszeniu” – stwierdził jeden z naukowców J. Dillon.
Źródło:
[1] Sun, K., Wei, T.-S., Ahn, B. Y., Seo, J. Y., Dillon, S. J. and Lewis, J. A. (2013), 3D Printing of Interdigitated Li-Ion Microbattery Architectures. Adv. Mater.
[2] http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201301036/abstract | 19.06.2013
[3] http://news.discovery.com/tech/nanotechnology/tiny-3d-printed-microbattery-big-power-130620.htm | 19.06.2013
[3] 3D Printer at the Fab Lab by Keith Kissel, flickr.com, CC BY 2.0