Сотрудники Техасского университета Эль-Пасо (UTEP) представили инновационную методику аддитивного производства одного из важнейших элементов аккумуляторных батарей. Данная технология позволяет формировать силовые источники практически любой конфигурации, не влияя на их эксплуатационные параметры. По оценкам разработчиков, это открытие способно кардинально преобразовать процесс создания аккумуляторов для носимых гаджетов, медицинского оборудования, авиакосмической отрасли и других малогабаритных систем.

В фокусе внимания исследовательской группы оказался электролит – среда, отвечающая за транспортировку заряженных частиц между электродами батареи. Именно этот элемент определяет способность устройства к запасанию и высвобождению энергии. Ранее создание аккумуляторов в значительной степени зависело от применения жидких электролитов, однако теперь ученым удалось получить материал, подходящий для трехмерной печати.

В большинстве современных аккумуляторных батарей перезаряжаемого типа используются жидкости-электролиты, требующие надежной герметизации внутри прочного корпуса. Именно этот корпус определяет внешние габариты и форму аккумулятора, что ограничивает возможности проектировщиков. К тому же, повреждение такой оболочки может вызвать утечку электролитного раствора и создать потенциальные угрозы безопасности.

Для преодоления данной трудности экспертами был создан печатаемый гелеобразный полимерный электролит. В процессе его изготовления ученые смешали светочувствительную полимерную смолу с литиевым электролитом в жидкой форме, после чего материал подвергался фотополимеризации – послойному затвердеванию под воздействием света.

Проведенные тесты подтвердили, что созданный материал демонстрирует ионную проводимость, близкую к характеристикам обычных жидких электролитов. Наивысший зафиксированный показатель составил 3,4 × 10⁻³ Сименс на сантиметр – величина, достаточная для нормальной работы аккумуляторных устройств. Специалисты определили оптимальное соотношение компонентов: одна часть полимерной смолы приходится на четыре части электролита, что обеспечивает высокую точность нанесения и хорошие рабочие качества.

Существенным достоинством нового подхода является отсутствие необходимости в специализированном оборудовании для печати – герметичных камерах или среде без кислорода. Удалось успешно создать электролит при стандартных лабораторных условиях на открытом воздухе, не наблюдая существенного изменения его свойств, что значительно облегчает возможность организации серийного выпуска.

Для демонстрации потенциала разработанной технологии исследователи создали несколько образцов различной формы. В числе изготовленных изделий были плоские круги, решетчатая структура с открытыми ячейками и цельный куб приблизительно в один сантиметр.

Ученые отмечают, что полученные результаты указывают на перспективу создания аккумуляторов индивидуальной конфигурации для каждого конкретного устройства. Это позволит интегрировать источники питания непосредственно в конструкцию носимых гаджетов, медицинских приборов имплантационного типа, компонентов авиационной и космической техники, а также других изделий с ограниченным объемом.

По словам главы научной работы, Алексиса Мореля, конфигурация элемента питания долгое время диктовала конструкцию прибора. Новейший подход открывает перспективы для изготовления высокопроизводительных аккумуляторных компонентов почти любой формы и размещения их в нужных местах по замыслу разработчиков.

В процессе изучения специалисты также оценили воздействие разных растворителей на печатный процесс и характеристики полученного электролита. В публикациях указывается, что этот аспект ранее не получал достаточного внимания при создании материалов для печати аккумуляторов.

Результаты экспериментов выявили, что одна из изученных композиций обладала исключительной устойчивостью в ходе повторных проверок на работоспособность. Это дало возможность выделить рецептуру, представляющую наибольший интерес для дальнейшего совершенствования технологии.

Заведующий факультетом инженерных наук Мигеля А. Лойи Кенит Майсснер акцентировал внимание на том, что работа демонстрирует быстрое слияние технологий трехмерной печати и современных решений в области накопления энергии. Он добавил, что создание воспроизводимого метода 3D-печати электролитов различной конфигурации даст больше свободы при проектировании аккумуляторов нового типа и укрепит репутацию университета как центра исследований передовых энергетических разработок.

Разработка велась в сотрудничестве с экспертами из Национальных лабораторий Сандия. На последующем этапе планируется усовершенствовать рецептуру электролита и сформировать рабочие аккумуляторные ячейки, применяя инновационный метод трехмерной печати.

По мнению разработчиков, при благоприятном ходе реализации проекта новая методика позволит производить накопители энергии, более точно отвечающие запросам современной электроники, транспортных средств нового поколения и космической индустрии, а также предоставит конструкторам существенно больше возможностей для проектирования передовых устройств.

Исследование опубликовано в журнале Communications Engineering.