Costruite microbatterie quanto un granello di sabbia con stampanti 3D

Boston, Massachusetts – La stampa 3D ora può essere utilizzata per stampare microbatterie agli ioni di litio delle dimensioni di un granello di sabbia.                                                                                            Le microbatterie possono fornire energia elettrica a piccoli dispositivi in ​​settori dalla medicina alla comunicazione. Molti  si sono fermati sui banchi di laboratorio per la mancanza di una batteria abbastanza piccola che si adattasse al dispositivo, e fornisse loro abbastanza energia immagazzinata .                                                                                                                                           Per produrre le microbatterie, un team con sede presso l’Harvard University e l’University of Illinois a Urbana-Champaign ha stampato pile interlacciate precisamente elettrodi di una minuscola batteria, ciascuna inferiore alla larghezza di un capello umano.                                                                      "Abbiamo dimostrato per la prima volta che siamo in grado di 3D-stampare una batteria, nel modo più rigoroso,- ha detto Jennifer Lewis, professore di Ingegneria di ispirazione biologica presso l’Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), e membro del nucleo nell'Istituto Wyss di ispirazione per Ingegneria biologica presso l'Università di Harvard". Lewis ha guidato il progetto prima presso l’University of Illinois a Urbana-Champaign, in collaborazione con Shen Dillon, assistente professore di Scienza dei Materiali e Ingegneria .                                                                 Negli ultimi anni gli ingegneri hanno inventato molti dispositivi miniaturizzati, inclusi impianti medici, robot volanti simili a insetti e piccole telecamere e microfoni che si adattano su un paio di occhiali. Ma spesso le batterie di alimentazione  sono  grandi o più grandi dei dispositivi stessi - che contrasta con l'obiettivo della costruzione di piccole dimensioni. Per creare la microbatteria, una stampante 3D su misura estrude inchiostri speciali attraverso un ugello stretto di un capello umano. Tali inchiostri solidificano per creare anodo della batteria (rosso) e il catodo (viola), strato dopo strato. Un caso (verde) poi racchiude gli elettrodi e la soluzione elettrolitica aggiunto per creare una micro batteria da lavoro.

 I produttori hanno tradizionalmente depositato film sottili di materiali solidi per costruire gli elettrodi. Tuttavia, grazie al loro design ultra-piatto, queste micro-batterie a stato solido non producevano energia sufficiente per alimentare i dispositivi miniaturizzati del domani. Gli scienziati hanno capito che potevano confezionare più energia creando pile strettamente interlacciati a elettrodi ultrasottili costruite fuori dal piano. Per questo si sono rivolti alla stampa 3D. Stampanti 3D seguono le istruzioni dai disegni tridimensionali al computer, depositando strati successivi di materiale - inchiostri - per costruire un oggetto fisico da zero, proprio come impilare un mazzo di carte una alla volta. La tecnica è utilizzata in una vasta gamma di settori, dalla produzione di corone nei laboratori odontotecnici per la prototipazione rapida dei settori aerospaziale, automobilistico, e prodotti di consumo. Il gruppo di Lewis’ha notevolmente ampliato le funzionalità della stampa 3D. Hanno progettato una vasta gamma di inchiostri funzionali - inchiostri con proprietà elettriche e chimiche utili. E hanno usato questi inchiostri con le stampanti 3D realizzati su misura per la creazione di strutture precise con proprietà elettroniche, ottiche, meccaniche, o biologicamente rilevanti che desiderano. Per stampare elettrodi 3D, gruppo di Lewis 'prima creato e testato diversi inchiostri specializzati. Diversamente l'inchiostro in una stampante a getto d'inchiostro per ufficio, esce come gocce di liquido che bagnano la pagina, gli inchiostri sviluppati per la stampa 3D estrusione-based devono soddisfare due difficili requisiti. Devono uscire sottili ugelli come il dentifricio da un tubetto, e devono subito indurire nella loro forma finale. In un  video, un ugello 3D-stampante più stretto di un capello umano stabilisce un "inchiostro" strato per strato appositamente formulato per la costruzione di un anodo per  microbatteria da zero. Diversamente l’inchiostro in una stampante a getto d'inchiostro per ufficio, che esce da goccioline di liquido e bagna un pezzo di carta, questi inchiostri 3D-stampante sono appositamente formulati per uscire dall'ugello come dentifricio dal tubo, poi subito indurire in strati stretti come quelli prodotti con metodi di fabbricazione a film sottile. Inoltre, gli inchiostri contengono nanoparticelle di un composto di ossido di litio-metallo che danno all'anodo le proprietà elettriche adeguate.

In questo caso, gli inchiostri anche dovuto funzionare come materiali elettrochimicamente attivi per creare anodi e catodi di lavoro, e hanno dovuto indurire in strati che sono stretto come quelli prodotti da metodi di fabbricazione a film sottile. Per raggiungere questi obiettivi, i ricercatori hanno creato un inchiostro per l'anodo con nanoparticelle di un composto di ossido di litio-metallo, e un inchiostro per il catodo da nanoparticelle di un altro. La stampante deposita gli inchiostri sulla dentatura di due pettini oro, creando una pila strettamente interlacciata di anodi e catodi. Poi i ricercatori  hanno confezionato gli elettrodi in un piccolo contenitore e riempiti con una soluzione elettrolitica per completare la batteria. Hanno poi misurato quanta energia potrebbe essere contenuta nelle piccole batterie, la quantità di energia che potrebbero fornire, e quanto tempo hanno tenuto una carica.                                                                                                                                       "Le prestazioni elettrochimiche sono paragonabili a batterie commerciali in termini di spesa, tasso di scarica, ciclo di vita e densità di energia. Siamo in grado -ha detto Dillon- di raggiungere questi risultati  su una scala molto più piccola "."Innovativi disegni a inchiostro microbatteria di Jennifer espandono notevolmente gli usi pratici di stampa 3D, e, contemporaneamente, si aprono possibilità del tutto nuove per la miniaturizzazione di tutti i tipi di dispositivi, entrambi medici e non medici. "E ' stato eccitante,- ha detto Donald Ingber direttore Wyss Founding”.                                                                                                                                                                  Il lavoro è stato sostenuto dal National Science Foundation e l'Energy Research Center Frontier DOE sulle interazioni dei materiali leggeri nella conversione dell'energia. Oltre a Lewis e Dillon, contributi importanti da Ke Sun, studente laureato in Scienza dei Materiali e Ingegneria presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign; Teng-Canta Wei, studente laureato alla Harvard SEAS; Bok Yeop , senior research scientist presso l'Istituto Wyss , e Yoon Jung Seo, scienziato in visita nel gruppo Lewis, dall’ Istituto di Scienza e Tecnologia avanzata della Corea.

Per creare la microbatteria, una stampante 3D  estrude su misura inchiostri speciali attraverso un ugello stretto come un capello umano. Tali inchiostri solidificano per creare anodo della batteria (rosso) e il catodo (viola), strato dopo strato. Un contenitore (verde) poi racchiude gli elettrodi e  si aggiungela soluzione elettrolitica  per creare un microbatteria che lavori.                                                            Credit: Ke Sun, Bok Yeop Ahn, Jennifer Lewis, Shen J. Dillon