Ученые развивают 3D-печать аккумуляторов любой формы для будущих устройств

Революция в производстве источников питания

Ученые из Техасского университета в Эль-Пасо (UTEP) разработали инновационную технологию 3D-печати электролита для аккумуляторов, позволяющую создавать элементы питания практически любой геометрии без ухудшения их характеристик. Это открытие может существенно изменить подход к проектированию аккумуляторов для носимой электроники, медицинских устройств, аэрокосмической техники и других компактных систем.

Новый тип электролита

В центре исследования находится электролит — ключевой компонент аккумулятора, обеспечивающий перенос заряженных частиц между электродами. В отличие от традиционных жидких электролитов, требующих герметичного корпуса, ученые создали печатаемый гелеобразный полимерный материал. Он основан на светочувствительной полимерной смоле, объединенной с жидким литиевым электролитом.

Процесс печати реализован методом фотополимеризации в ванне — послойного затвердевания под воздействием света. Испытания показали, что полученный гель демонстрирует ионную проводимость, сопоставимую с традиционными жидкими электролитами. Максимальное значение достигло 3,4 × 10⁻³ Сименс на сантиметр, что соответствует необходимому уровню для эффективной работы аккумуляторов.

Технические особенности и производство

Оптимальное соотношение компонентов в смеси составило одну часть смолы к четырех частям электролита. Это позволяет одновременно добиться высокой точности печати и хороших эксплуатационных характеристик. Важным преимуществом новой технологии стало то, что процесс печати не требует герметичных камер или бескислородной среды. Электролит успешно изготавливается в обычных лабораторных условиях на открытом воздухе без заметного ухудшения свойств.

В рамках исследования ученые также проанализировали влияние различных растворителей на процесс печати и работу готового электролита. Одна из протестированных комбинаций показала стабильность в ходе многократных циклов, что позволило выделить наиболее перспективный состав для дальнейших экспериментов.

Перспективы применения

Чтобы продемонстрировать возможности технологии, исследователи напечатали несколько изделий различной геометрии: плоские диски, открытая сотовая решетка и сплошной куб размером около одного сантиметра. По словам ученых, форму аккумулятора можно будет подстраивать под конкретное устройство, а не наоборот. Это открывает возможность интегрировать аккумуляторы непосредственно в конструкцию носимой электроники, медицинских имплантатов, авиационно-космических компонентов и других изделий с ограниченным пространством.

Руководитель исследования Алексис Морель отметил, что на протяжении многих лет именно форма аккумулятора определяла конструкцию устройства, которое он питает. Новая технология демонстрирует возможность создавать высокоэффективные компоненты аккумуляторов практически любой геометрии и размещать их там, где это необходимо конструкторам.

Дополнительные технологические подходы

Аддитивное производство аккумуляторов охватывает несколько методов. FDM печать (расплавленное осаждение) подходит для создания корпусов и несущих элементов с встроенными батареями, где рама устройства одновременно служит накопителем энергии. Голографическая литография создает внутренние структуры электродов высокой сложности, увеличивая активную площадь и повышая характеристики элементов.

Струйная печать активных материалов наносит пасты на основе наночастиц с точностью до 30 микрон при скорости до одного миллиметра в секунду. Эти технологии позволяют создавать микробатареи размером с песчинку для встраиваемых систем. Такие элементы подходят для питания микророботов, медицинских имплантов и IoT-датчиков.

Коммерческие перспективы

Стартап Material Hybrid Manufacturing уже привлек семь миллионов долларов на развитие технологий. Компания получила контракт ВВС на разработку батарей для беспилотников, где печатные элементы позволяют увеличить запасаемую энергию на 35% при том же объеме. Sakuu фокусируется на изменении производственного процесса, исключая растворители и энергоемкие сушильные печи, что снижает себестоимость и энергопотребление.

Исследование проводилось совместно со специалистами Национальных лабораторий Сандия. На следующем этапе планируется дальнейшая оптимизация состава электролита и создание полноценных аккумуляторных элементов. Декан Инженерного колледжа имени Мигеля А. Лойи Кенит Майсснер подчеркнул, что технология объединяет аддитивное производство и современные системы хранения энергии, открывая новые возможности для проектирования аккумуляторов нового поколения.

Исследование опубликовано в журнале Communications Engineering. В случае успешного развития проекта новая технология позволит создавать аккумуляторы, лучше соответствующие требованиям электроники будущего, транспортных систем и аэрокосмической отрасли.