UNSW-ingenjörer har utvecklat en process för att skriva ut solid-state polymerelektrolyter i valfri form som önskas för användning vid energilagring.

Forskargruppen från School of Chemical Engineering ledd av professor Cyrille Boyer, inklusive Dr. Nathaniel Corrigan och Kenny Lee – säger att 3D-utskriftsprocessen av sådant material kan vara särskilt användbar i framtida medicinsk utrustning där små, intrikat utformade energilagringar erbjuder ett antal av förmåner.

Solid-state elektrolyter är en nyckelkomponent i solid state-batterier, även om de traditionellt har lidit av dålig prestanda på grund av låg jonledningsförmåga eller dåliga mekaniska egenskaper.

Men i en artikel publicerad i Advanced Materials , rapporterar teamet från UNSW att deras 3D-printade solid polymer electrolyte (SPE) erbjuder hög ledningsförmåga, såväl som robust styrka.

Detta innebär att elektrolyterna i fast tillstånd potentiellt kan användas som själva strukturen för en enhet, vilket skapar en rad tänkbara designmöjligheter, särskilt för framtida medicinska produkter.

"Ingen har 3D-tryckta fasta polymerelektrolyter tidigare. Traditionellt har de tillverkats med hjälp av en form, men tidigare processer erbjöd inte möjligheten att kontrollera materialets styrka, eller att forma det till komplexa former", säger Kenny Lee.

"Med befintliga fasta elektrolyter när man ökar materialets mekaniska hållfasthet offrar man mycket av konduktiviteten. Vill man ha högre konduktivitet är materialet mycket mindre robust. Det vi har uppnått är en samtidig kombination av båda, vilket kan 3D-printas till sofistikerade geometrier.

"Denna polymerelektrolyt har potential att vara ett lastbärande energilagringsmaterial. På grund av sin styrka kan den användas som den faktiska strukturen av liten elektronik, eller i rymdtillämpningar, eller i små personliga medicinska apparater med tanke på vår 3D-utskriftsprocess kan vara mycket intrikat och exakt.

"Vi kan skapa riktigt små strukturer med den typ av system vi använder. Så det har fantastiska tillämpningar inom nanoteknik och överallt där du behöver designa energilagring i mikroskala."

Ökad cykelstabilitet

Även om den fasta polymerelektrolyt som utvecklats av UNSW-teamet betraktas som ett högpresterande material, säger forskarna att den kan tillverkas med hjälp av billiga och kommersiellt tillgängliga 3D-skrivare, snarare än sofistikerad teknisk utrustning.

Den SPE som beskrivs i artikeln är sammansatt av jonledande kanaler i nanoskala inbäddade i en styv tvärbunden polymermatris. Den produceras via en process som kallas polymerisationsinducerad mikrofasseparation (PIMS).

To showcase the versatility of the material, the researchers 3D printed an intricate map of Australia which was then tested as an energy storage device.

"One of the other benefits of this SPE in energy storage devices is the fact it increases the cycling stability—that is the number of charging and discharging cycles until its capacity is reduced to a certain amount," says Dr. Corrigan.

"In our paper, we show that this material is very stable and has the ability to charge and discharge over thousands of cycles. After 3,000 cycles there was only roughly a 10% drop."

The researchers say 3D printing also reduces wastage compared to other traditional forms of manufacturing and reduces costs since the same machine can be used to produce a variety of differently shaped materials.

In future, they say product designers could utilize their SPE to create items with a much higher energy storage density.

"Imagine an earpod predominantly made out of this material, which is also acting as the battery. The storage density will be much higher and the power would therefore last longer," says Professor Boyer.

"We really hope to be able to push forward in terms of commercialization because we've created some really incredible materials and processes." + Utforska vidare

New path for next-generation polymer-based battery design