Команда UTEP из США создала гелевые электролиты для аккумуляторов с помощью 3D-печати

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Техасского университета в Эль-Пасо (The University of Texas at El Paso) разработала метод, позволяющий с помощью 3D-печати изготавливать гелевые полимерные электролиты различных форм. Эта технология позволяет встраивать накопители энергии непосредственно в устройства, питаемые от аккумуляторов, преодолевая ограничения по размерам стандартных перезаряжаемых батарей.

Исследование опубликовано в журнале Communications Engineering серии Nature. Гелевый полимерный электролит отвечает за перенос ионов между электродами аккумулятора. Традиционные жидкие электролиты требуют герметичного корпуса, что ограничивает форму батарей и создаёт риск утечки. Команда UTEP объединила фотополимеризующуюся смолу с жидким литиевым электролитом и, используя технологию ванной фотополимеризации (vat photopolymerization) с послойным отверждением, успешно получила пригодный для печати гелевый материал.

Ионная проводимость напечатанного материала достигла 3,4×10⁻³ См/см, что сопоставимо с электролитами, изготовленными традиционными методами, и близко к уровню заменяемого жидкого электролита. Оптимальное соотношение смолы и электролита, определённое в ходе исследования, составило 1:4, что обеспечило баланс между электрохимическими характеристиками и надёжностью печати.

Команда выполнила печать электролита в обычных лабораторных условиях, и свойства материала остались стабильными. Исследователи напечатали простые диски, открытые сотоподобные решётки и сплошные кубы размером один сантиметр, демонстрируя гибкость формования аккумуляторов для будущих носимых устройств, медицинского оборудования или компонентов аэрокосмической техники.

«Долгие годы форма аккумулятора определяла форму устройств, которые он питает, — отметил ведущий исследователь, доктор Алексис Морель (Alexis Maurel), преподаватель кафедры металлургии, материаловедения и биомедицинской инженерии UTEP. — Мы доказываем, что можно напечатать высокоэффективные компоненты аккумулятора с электролитом любой формы и разместить их практически в любом месте. Это меняет возможности для дизайнеров».

Исследование также выявило влияние выбора растворителя на пригодность к печати и поведение аккумулятора — аспект, который ранее не был достаточно изучен. Один из составов продемонстрировал исключительную стабильность в повторных испытаниях, указав команде на наиболее перспективное направление разработок.

«Это исследование показывает, как передовые производственные и энергетические технологии могут объединиться, создавая совершенно новые возможности для проектирования аккумуляторов, — прокомментировал доктор Кенит Мейснер (Kenith Meissner), декан инженерного колледжа имени Мигеля А. Лойи (Miguel A. Loya). — Разрабатывая масштабируемый метод 3D-печати электролитов для аккумуляторов практически любой формы, доктор Морель и его соавторы помогают UTEP быть на переднем крае исследований в области накопителей энергии следующего поколения, одновременно предоставляя нашим студентам практический опыт работы с технологиями, которые будут иметь решающее значение для будущего аэрокосмической отрасли, транспорта и передового производства».

Исследование проводилось под руководством UTEP в сотрудничестве с Национальными лабораториями Сандия (Sandia National Laboratories). Команда планирует оптимизировать состав и интегрировать эти напечатанные электролиты в полноценные аккумуляторные элементы. Данное исследование является частью портфеля проектов Мореля, посвящённых 3D-печати аккумуляторов, и включает также грант на развитие кадров в рамках программы Национального научного фонда США «Исследовательский опыт для студентов бакалавриата» (National Science Foundation's Research Experiences for Undergraduates), который обеспечивает оплачиваемые летние стажировки с интенсивной исследовательской нагрузкой для студентов двух учебных заведений и устанавливает партнёрство между UTEP и Техасским университетом A&M (Texas A&M University).