Исследователи из США впервые использовали технику трехмерной печати для создания литий-ионной батареи размером меньшим, чем песчинка. Крошечный источники питания подобного рода могут использоваться для энергоснабжения гибких устройств, а исследователи надеются на то, что смогут скомбинировать такой источник питания с другими деталями на основе печатной электроники.
Расстояние между перекрывающимися отпечатанными электродами, ширина которых составляет 60 мкм, составляет 50 мкм. (Рисунок из Adv. Mater., 2013, DOI: 10.1002/adma.201301036)
Изобретение миниатюрных сенсоров, микророботов и медицинских систем обуславливает необходимость создания миниатюрных источников питания для таких устройств. Существующие в настоящее время микроаккумуляторы содержат электроды, полученные на основе ультратонких электропроводных пленок, однако их размер ограничивает их выходную мощность и емкость. Дженнифер Льюис (Jennifer Lewis) из Гарварда попыталась решить эту проблему с помощью специально разработанного трехмерного принтера, который за счет послойного нанесения может напечатать плотно перекрывающиеся электроды в объеме, не превышающем кубический миллиметр.
Как поясняет Льюис, энергетическая емкость источника питания зависит от того, какая часть его объема на самом деле заполнена активными электродами, поэтому слоистая переплетенная архитектура электродов и была выбрана для максимально эффективного заполнения пространства. Она отмечает, что, хотя существует возможность печати на больших площадях, печать объекта столь малого размера была тем самым вызовов, который подталкивает развитие технологии.Создание электродов происходит за счет нанесения со сжатием слоев электропроводных чернил на перекрывающиеся зубья «гребенки» из золота. По словам Льюис, самой сложной задачей был подбор чернил правильного состава – они должны проявлять электропроводность и быть при этом достаточно вязкими для того, чтобы проходить через сопла головки лазерного принтера, диаметр которых составляет 30 мкм. Исследователям удалось решить эту задачу, использовав для построения анода наночастицы титаната лития, а для катода – наночастицы фосфата лития/железа, диспергированные в глицерине и стабилизированные производными целлюлозы.
После печати электродов и их просушки питательный элемент нагревают для того, чтобы чернила затвердели до запаковки устройства в пластиковую оболочку, заполненную электролитом. Полученный в результате всех операций источник питания отличается устойчивой работой, его срок службы, время зарядки и плотность энергии сравнимо с коммерчески доступными источниками питания, в то время как плотность энергии, равная 2.7 мВатт*см*(–2), выше, чем у других микроаккумуляторов.
Саймон Лейг (Simon Leigh), специалист по химии материалов, работающий с трехмерными принтерами в Университете Уорвика (Великобритания), говорит, что техника трехмерной печати позволяет получать передовые материалы для получения новых устройств и продуктов, а новая работа является наглядной демонстрации возможностей этой техники.
Источник: Adv. Mater., 2013, DOI: 10.1002/adma.201301036
