För första gången, forskare har framgångsrikt tryckt en komplett, om än experimentell, litiumjonbatteri inklusive en solid-state elektrolyt. Medan elektroder har producerats med 3-D-utskriftsteknik tidigare, forskare vid University of Illinois vid Chicago College of Engineering har tryckt ett stall, ändå flexibel, solid-state elektrolyt med användning av en extruderingsteknik för förhöjd temperatur. De rapporterar sina resultat i tidskriften Avancerade material .

Litiumjonbatterier används ofta i hemelektronik och bärbar elektronik, och i vissa motorfordon. De fungerar genom att litiumjoner förflyttas från den negativa elektroden genom en elektrolyt, som kan vara flytande eller fast, till den positiva elektroden under urladdning och sedan tillbaka under laddningsfasen.

Att massproducera dessa batterier är en mödosam och dyr process. Elektroderna och elektrolyten, som tillverkas separat, måste sammanföras och placeras i ett hölje. En kontrollerad miljö behövs för att undvika kontaminering och massor av beläggningar och modifieringar behövs för att fullborda batteriet. Med konventionell produktion, batteristorlekar kan inte enkelt ändras, inte heller kan enskilda batterier modifieras för att passa specifika enheter eftersom det skulle kräva att maskinerna som används för att tillverka batterierna återställs till nya specifikationer.

3-D-utskrift möjliggör produktion och anpassning av batterier mycket snabbare och billigare eftersom alla delar skrivs ut samtidigt. I litiumjonbatterier där elektroderna har 3D-printats, den konventionellt framställda elektrolyten har alltid tillsatts efteråt i ett separat steg.

Vid konventionell elektrolytproduktion i fast tillstånd, batterihöljen måste förberedas med olika beläggningar och lösningsmedel som används vid framställningen av elektrolyten som sedan måste avdunstas i ett efterproduktionssteg. Om en elektrolyt skrivs ut direkt i ett bildande 3-D-printat batteri, avdunstning skulle få elektrolyten att krympa och dra bort från elektroderna. Detta kan göra att batteriet kortsluts. Beläggningar som används för att säkerställa att elektrolyten får god kontakt med höljena och elektroderna är också extremt svåra att införliva i ett 3-D-printat batteri.

För att komma runt dessa problem, Reza Shahbazian-Yassar, docent, och Yayue Pan, biträdande professor i maskin- och industriteknik vid UIC College of Engineering, tillsammans med kollegor designat en unik 3D-skrivare som fungerar vid förhöjd temperatur. Den extruderar material vid cirka 120 grader Celsius jämfört med traditionell extrudering 3-D-utskrift, som sker i rumstemperatur. Deras elektrolytbläck i fast tillstånd består av en polymerbas som innehåller titanoxidpartiklar som gör att det kan vara flexibelt, såväl som funktionella. Det unika elektrolytbläcket kan avsättas direkt i batteriet när det skrivs ut.

"Den höga temperaturen förhindrar efterproduktionskrympning, sa Meng Cheng, en doktorand vid UIC College of Engineering och huvudförfattare till studien. "Vår teknik förbättrar dramatiskt effektiviteten av beredningen av elektrolyten och dess inkorporering i batteriet."

Shahbazian-Yassars experimentella 3-D-printade batterier hade högre laddnings-/urladdningskapacitet och bättre prestanda än batterier där elektrolyten tillverkades med traditionella metoder. "Den direktskrivande förhöjda temperaturen och våra specialiserade bläck är beviset på att 3-D-tryckta litiumjonbatterier är möjliga, " sa Reza.