Forskare har utvecklat en ny teknik som kan skriva ut batterier på nästan alla ytor, vilket förväntas vara avgörande för framtida flexibel elektronik som roll-up displayer, smarta elektroniska kläder, och enheter av typen Google Glass. Medan dagens Li-ion-batterier endast kan tillverkas i fasta former och storlekar, såsom cylindrar eller påsceller, de nya litiumjonbatterierna kan skrivas ut i sin helhet – inklusive elektroder och elektrolyt – nästan var som helst. Forskarna förutspår till och med att batterierna i framtiden skulle kunna skrivas ut med en 3D-skrivare till olika 3D-former.

Forskarna, ledd av Sang-Young Lee, Professor vid Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) i Sydkorea, har publicerat en artikel om de nya utskrivbara solid-state (PRISS) Li-ion-batterierna i en ny utgåva av Nanobokstäver .

Vid konventionell tillverkning av litiumjonbatterier, elektroderna och separatormembranen staplas eller lindas runt varandra och förpackas i metalliska höljen, som sedan injiceras med flytande elektrolyter. Det har varit svårt att tillverka batterier i olika former och storlekar på grund av att de flytande elektrolyterna är brännbara och kan läcka om de inte förpackas väl, och även för att separatormembranen är nödvändiga för att förhindra kontakt mellan elektroderna.

Den nya tillverkningsmetoden för batterier kräver inte vare sig vätske-elektrolytinjektion eller separatormembran. Istället, elektrolyten är gjord av en pasta, elektroderna är gjorda av en slurry, och de trycks i följd på en yta och härdas sedan med ultraviolett ljus. Eftersom elektrolytpastan är tryckt mellan elektroderna, det spelar också rollen som separatormembranet. Uppslamningen och pastan kan också skrivas ut genom en stencil, gör det möjligt att skriva ut batterier i olika former, brev, och mönster.

"Alla batterikomponenter, såsom katoder, anoder och elektrolyter, kan skrivas ut på godtyckliga objekt med komplexa geometrier, därigenom möjliggörs sömlös integrering av formanpassade laddningsbara solid-state-batterier med olika formfaktorer i komplext formade (som kurvlinjära) objekt, " berättade Lee Phys.org . "Vi föreställer oss att det utskrivbara batteriet som presenteras här har ett stort löfte för potentiell användning i kommande bärbar elektronik och IOTs (Internet of Things), som så småningom tar bort förutbestämt batteriutrymme med fast dimension och form."

För ett par exempel, forskarna tryckte ett hjärtformat batteri på en kopp, tryckte ytterligare ett batteri på pappersglasögon som liknar Google Glass, och tryckte även bokstäverna "PRISS" på papper. Eftersom de tryckta batterierna är så sömlöst integrerade i ytan på dessa föremål, på ett sätt verkar det som att det inte finns något batteri där alls. Dock, anslutning av kablar till dessa batteriinbäddade ytor visar att de kan driva lysdioder.

Övergripande, det tryckta batteriets prestanda är konkurrenskraftigt med andra flexibla batterier, uppvisar god långtidslagringskapacitet, 90 % kapacitetsretention efter 30 cykler, och ingen detekterbar förändring i elektriskt motstånd under upprepade böjningscykler. Fortfarande, i framtiden planerar forskarna att förbättra vissa områden, inklusive att öka energitätheten och förlänga batteritiden.

Ett annat område för framtida forskning är att kombinera PRISS-batterierna med högprecisionsbläckstråleutskrift och 3D-utskrift, vilket kommer att leda till ännu fler oöverträffade designmöjligheter.

"För att utöka användningsområdena för de utskrivbara batterierna, vi överväger för närvarande ett brett utbud av trycktekniker, ", sa Lee. "Bläckstråle- och 3D-utskrift kan rekommenderas som en lovande teknik för att möjliggöra enkel tillverkning av flerdimensionella/flerskala komplexstrukturerade kraftkällor. En brådskande förutsättning för att uppnå detta mål är att utskrivbara batterikomponenter ska vara exakt inställda för att uppfylla de reologiska kraven för varje tryckteknik, utan att försämra de elektrokemiska egenskaperna. Vår grupp har nyligen uppnått några spännande resultat på utskrivbara batterier med bläckstråle- och 3D-utskriftsteknik, som kommer att tillhandahålla helt nya användningsområden för laddningsbara kraftkällor som vi ännu inte har stött på."

© 2015 Phys.org