Разработанный метод освободит инженеров от ограничений, связанных со стандартными размерами аккумуляторных батарей, и позволит встраивать накопители энергии непосредственно в устройства, которые они питают.
Работа, подробно описанная в исследовании, опубликованном в журнале Communications Engineering, посвящена гелевым полимерным электролитам — материалу внутри аккумулятора, который переносит ионы (частицы, переносящие электрический заряд) между электродами — двумя клеммами, на которых происходят химические реакции и через которые электричество поступает в аккумулятор или выходит из него. Обычные электролиты представляют собой жидкости, которые должны быть герметично заключены в жёсткие корпуса. Такая конструкция ограничивает форму аккумуляторов и вызывает опасения по поводу утечек. Вместо этого команда Техасского университета в Эль-Пасо создала гель для печати, смешав светоотверждаемую смолу с жидким электролитом на основе лития, а затем послойно отверждала его с помощью метода, называемого фотополимеризацией в ванне.
Напечатанный материал показал такие же результаты, как электролиты, изготовленные традиционными методами, достигнув ионной проводимости до 3,4 × 10⁻³ сименс на сантиметр, что близко к показателям жидких электролитов, которые он мог бы заменить. Исследователи также подобрали оптимальный рецепт: соотношение смолы и электролита 1 к 4, которое обеспечивает высокие электрохимические характеристики при чистой и надежной печати.
Не менее важно и то, что команда печатала электролиты на обычном лабораторном воздухе, а не в герметичной бескислородной камере, и материал сохранил свои свойства. Чтобы продемонстрировать свободу дизайна, которую обеспечивает этот метод, исследователи напечатали простые диски, открытую сотовую структуру и цельный куб со стороной в один сантиметр. Это показывает, что в будущем батареям можно будет придавать форму, подходящую для носимых устройств, медицинских приборов или аэрокосмических деталей, а не заставлять устройство подстраиваться под батарею.
«В течение многих лет форма аккумулятора определяла форму устройства, которое он питает», — говорит Алексис Морель, доктор философии, ведущий исследователь и преподаватель кафедры металлургической, материаловедческой и биомедицинской инженерии Техасского университета в Эль-Пасо. — Мы показываем, что можно напечатать высокоэффективный компонент электролитического аккумулятора любой формы и разместить его практически в любом месте. Это меняет представление дизайнеров о возможностях.
Работа также прояснила, как выбор растворителя влияет на возможность печати и поведение батареи. Авторы отмечают, что этот вопрос практически не изучался в более ранних исследованиях электролитов для печати. Один из составов оказался особенно стабильным при многократных испытаниях, что помогло команде определить наиболее перспективный путь развития.