(Phys.org) —3D-utskrift kan nu användas för att skriva ut litiumjonmikrobatterier som är lika stora som ett sandkorn. De tryckta mikrobatterierna kunde leverera elektricitet till små enheter inom områden från medicin till kommunikation, inklusive många som har dröjt kvar på labbbänkar i brist på ett batteri som är tillräckligt litet för att passa enheten, ändå ge tillräckligt med lagrad energi för att driva dem.

För att tillverka mikrobatterier, ett team baserat vid Harvard University och University of Illinois i Urbana-Champaign skrev ut exakt sammanflätade högar av små batterielektroder, var och en mindre än bredden på ett människohår.

"Vi visade inte bara för första gången att vi kan 3D-printa ett batteri, vi visade det på det mest rigorösa sätt, sa Jennifer Lewis, Ph.D., senior författare till studien, som också är Hansjörg Wyss professor i biologiskt inspirerad teknik vid Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), och en Core Faculty Member av Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard University. Lewis ledde projektet i sin tidigare position vid University of Illinois i Urbana-Champaign, i samarbete med medförfattaren Shen Dillon, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik där.

Resultaten kommer att publiceras online den 18 juni i tidskriften Avancerade material .

Under de senaste åren har ingenjörer uppfunnit många miniatyriserade enheter, inklusive medicinska implantat, flygande insektsliknande robotar, och små kameror och mikrofoner som passar på ett par glasögon. Men ofta är batterierna som driver dem lika stora eller större än själva enheterna – vilket motverkar syftet med att bygga litet.

För att komma runt detta problem, tillverkare har traditionellt deponerat tunna filmer av fasta material för att bygga elektroderna. Dock, på grund av deras ultratunna design, dessa solid-state mikrobatterier packar inte tillräckligt med energi för att driva morgondagens miniatyriserade enheter.

Forskarna insåg att de kunde packa mer energi om de kunde skapa högar av tätt sammanflätade, ultratunna elektroder som byggdes ur plan. För detta övergick de till 3D-utskrift. 3D-skrivare följer instruktioner från tredimensionella datorritningar, avsättning av på varandra följande lager av material – bläck – för att bygga ett fysiskt föremål från grunden, ungefär som att stapla en kortlek ett i taget. Tekniken används inom en rad områden, från att producera kronor i tandlaboratorier till snabb prototypframställning av flyg- bil, och konsumtionsvaror. Lewis grupp har avsevärt utökat möjligheterna för 3D-utskrift. De har designat ett brett utbud av funktionella bläck – bläck med användbara kemiska och elektriska egenskaper. Och de har använt dessa bläck med sina specialbyggda 3D-skrivare för att skapa exakta strukturer med den elektroniska, optisk, mekanisk, eller biologiskt relevanta egenskaper de vill ha.

För att skriva ut 3D-elektroder, Lewis grupp skapade och testade först flera specialiserade bläck. Till skillnad från bläcket i en bläckstråleskrivare på kontoret, som kommer ut som vätskedroppar som blöter sidan, de bläck som utvecklats för extruderingsbaserad 3D-utskrift måste uppfylla två svåra krav. De måste lämna fina munstycken som tandkräm från en tub, och de måste omedelbart härda till sin slutliga form.

I denna video, ett 3D-skrivarmunstycke som är smalare än ett människohår lägger ner ett speciellt formulerat "bläck" lager för lager för att bygga ett mikrobatteris anod från grunden. Till skillnad från bläck i en bläckstråleskrivare på kontoret, som kommer ut som vätskedroppar och väter ett papper, dessa 3D-skrivarbläck är speciellt framtagna för att lämna munstycket som tandkräm från en tub, härda omedelbart till skikt lika smala som de som produceras med tunnfilmstillverkningsmetoder. Dessutom, bläcket innehåller nanopartiklar av en litiummetalloxidförening som ger anoden de rätta elektriska egenskaperna. Kredit:Teng-Sing Wei, Bok Yeop Ahn, Jennifer Lewis

I detta fall, bläcken måste också fungera som elektrokemiskt aktiva material för att skapa arbetsanoder och katoder, och de var tvungna att härda till lager som är lika smala som de som produceras med tunnfilmstillverkningsmetoder. För att uppnå dessa mål, forskarna skapade ett bläck för anoden med nanopartiklar av en litiummetalloxidförening, och ett bläck för katoden från nanopartiklar från en annan. Skrivaren avsatte bläcket på tänderna på två guldkammar, skapa en tätt sammanflätad stapel av anoder och katoder. Sedan packade forskarna elektroderna i en liten behållare och fyllde den med en elektrolytlösning för att fullborda batteriet.

Nästa, de mätte hur mycket energi som kunde packas in i de små batterierna, hur mycket kraft de kunde leverera, och hur länge de höll en laddning. "Den elektrokemiska prestandan är jämförbar med kommersiella batterier när det gäller laddning och urladdningshastighet, cykelliv och energitätheter. Vi kan bara uppnå detta i mycket mindre skala, sa Dillon.

"Jennifers innovativa mikrobatteribläckdesign utökar dramatiskt den praktiska användningen av 3D-utskrift, och samtidigt öppna helt nya möjligheter för miniatyrisering av alla typer av enheter, både medicinska och icke-medicinska. Det är oerhört spännande, " sa Wyss grundare Donald Ingber, M.D., Ph.D.