Думается, каждому из наших читателей прекрасно знакома досадная ситуация, когда аккумуляторы в ноутбуке, планшете, смартфоне или других хитроумных гаджетах, без которых трудно себе представить современную жизнь, садятся в самый неподходящий момент. Порой это может стать причиной не только морального дискомфорта, но и вполне реальных неприятностей, поэтому лучшие учёные умы во всём мире сегодня заняты поиском способов продлить срок «жизни» батарей от одного заряда. Свой интерес в этом благородном деле недавно проявили и исследователи, работающие в сфере трёхмерной печати, и по всей видимости прорыв уже не за горами!
Инженерам, работающим в Университете Карнеги-Меллона, удалось изобрести новый вид электродов для 3D-печати, позволяющий создавать трёхмерные микрорешетки с контролируемой пористостью.
Исследуемый метод 3D-печати, по их словам, в силах существенно увеличить ёмкость и скорость заряда литий-ионных аккумуляторов. Предлагаем узнать об этом немного подробней.
Итак, в ходе кропотливых исследований удалось выяснить, что повсеместно распространённые литий-ионные аккумуляторы демонстрируют гораздо лучшую ёмкость в том случае, когда их микроскопические электроды являются не цельными, а содержат поры и каналы. Именно благодаря наличию этих микроструктур литий получает возможность более эффективно проявлять свои качества в батарее. Поняв и доказав этот факт, учёные поставили перед собой задачу создать высокоэффективный аккумулятор с электродами, взаимодействующими между собой в трёхмерных печатных микрорешётках, пористость которых можно контролировать.
Рахул Панат, занимающий должность доцента кафедры машиностроения в университете Карнеги-Меллон, а также сотрудничающая с ним группа учёных из Университета науки и техники Миссури совместными усилиями разработали и испытали принципиально новый метод производства электродов аккумуляторных батарей.
Как вы наверняка догадались, для этого был применён специфический метод 3D-печати, а именно её струйная аэрозольная разновидность.
Вот что сказали о своём достижении сами исследователи: «В случае с литий-ионными аккумуляторами электроды с пористой структурой позволяют увеличить ёмкость заряда батареи. Обусловлено это явление тем, что подобные пористые структуры дают возможность литию проникать сквозь всю площадь электрода, что увеличивает коэффициент его полезного действия и, как результат, ёмкость батареи и её способность дольше сохранять накопленную энергию».
Дело в том, что в обычных литий-ионных аккумуляторах примерно 30-50% от общего объёма каждого электрода не задействуется, простаивая даром. Новый же метод изготовления этих элементов, реализация которого была бы невозможной без вездесущих трёхмерных принтеров, эффективно решает эту проблему. С помощью 3D-печати можно создать такую структуру микрорешётки, благодаря которой литий сможет гораздо эффективней распространяться по всему электроду. Это не только увеличит ёмкость аккумуляторов, но и заметно ускорит процесс его зарядки.
Учёными было доказано, что микрорешетка (Ag), которую они использовали при изготовлении электродов аккумуляторов, улучшает характеристики последних сразу по нескольким показателям.
К примеру, удельную ёмкость удалось увеличить в четыре раза, а общую площадь используемой поверхности вдвое по сравнению с традиционной твёрдой структурой. Что характерно, это не временный эффект — электроды сохраняют сложную трёхмерную структуру и после нескольких десятков электрохимических циклов, что доказывает их механическую прочность.
Следует отметить, что трёхмерная печать не впервые задействуется в процессе создания аккумуляторных батарей, но раньше использовались технологии на основе экструзии. Иными словами, проволока из соответствующего материала по старинке выдавливалась из сопла, формируя непрерывную структуру. Учёные же из Карнеги-Меллона создали эксклюзивный метод 3D-печати на основе аэрозольной струи, с помощью которого удаётся печатать структуры с невероятно сложной и «тонкой» геометрией, ведь в процессе используется не сплошной поток материала, а его отдельные микроскопические капли, быстро собираемые воедино. При этом новой является лишь технология печати, расходные же материалы, используемые при этом, могут быть самыми привычными.
Кстати, не стоит на месте прогресс и в сфере обычной лазерной печати, где в качестве основного расходного материала, как известно, используется тонерный порошок. В сервисных центрах уже давно научились повторно заправлять его в ранее использованные тонер-контейнеры, что избавляет владельцев принтеров от необходимости каждый раз покупать дорогие новые картриджи. Экономия впечатляет: заправка картриджа HP CF237A, к примеру, стоит всего 900 рублей.
Остаётся лишь добавить, что новый метод 3D-печати, который по прогнозам можно будет использовать в промышленных масштабах уже через 2-3 года, найдёт своё применение не только при создании долговечных аккумуляторных батарей, но и в других отраслях электроники, в медицине, аэрокосмической и других сферах.
