Надрукований на 3D-принтері «вегетаріанський» акумулятор може забезпечити більш стійке живлення пристроїв, ніж його літій-іонний аналог. Крім того, така батарея – екологічно чисте джерело енергії: електроди в ній зроблені з рослинного крохмалю і вуглецевих нанотрубок.
Зростаюча потреба в більш високій ємності акумуляторів, високій швидкості зарядки, тривалому терміні служби і низькій собівартість вимагають нових рішень в цій сфері. Так, літій-іонні батареї компактні та витримують велику кількість циклів зарядки / розрядки.
Завдяки властивостям літій-іонних батарей їх активно використовують у всьому світі в зовсім різних пристроях, але вчені постійно шукають альтернативу.
При цьому у батарей, представлених в даний час на ринку, електроди досить великої товщини і вони лімітують кількість енергії, яке здатні зберігати і виділяти. Здавалося б, навпаки – чим товще електроди, тим більше енергії зберігає і віддає батарея. Але є заковика: через це дифузія іонів літію через електрод обмежена, а самі акумулятори більш схильні до розтріскування, після якого їх більше не можна використовувати.
З метою подолання цих обмежень команда інженерів з Університету Глазго передбачила мініатюрні нанорозмірні отвори в електродах і в поверхні батареї. Це збільшило площу поверхні електродів і зовнішньої частини акумулятора без зміни зовнішніх розмірів і в кінцевому підсумку допомогло посилити ємність батареї.
Для створення батареї інженери використовували 3D-друк, щоб можна було робити пори чітко визначеного розміру і в конкретних місцях. 3D-принтер заправили спеціально розробленим матеріалом, що складається з полімолочної кислоти, фосфату літію-заліза і вуглецевих нанотрубок. Полімолочна кислота – біорозкладний матеріал з кукурудзяного крохмалю, цукрової тростини і цукрового буряка, що робить батарею придатною для вторинної переробки.
В ході експерименту вчені надрукували три круглих електрода з різною товщиною: 100, 200 і 300 мікрон, і кожен з них вони тестували, комбінуючи матеріали і змінюючи число вуглецевих нанотрубок, а також пористість. Краще за всіх показала себе батарея з найбільш товстим електродом (300 мікрон) і пористістю 70% – її питома ємність склала 151 мАг / г. Чим вона вища, тим більше енергії може зберігати батарея, і в новому акумуляторі цей показник в 2-3 рази перевищує питому ємність літій-іонного акумулятора зі звичайним електродом аналогічної товщини.
Графічне зображення експерименту з різними варіаціями товщини електродів і пористості. Зображення: University of Glasgow / Journal of Power Sources (2021).
Самі автори розробки вважають, що результати досить багатообіцяючі. У літій-іонних батарей все-таки є проблеми зі стійкістю і вони не екологічні, тому дуже важливо шукати нові шляхи створення більш безпечних та ефективних акумуляторів.
У конкретному випадку 3D-друк дозволяє отримати контроль над пористістю електродів, а це дає можливість максимально точно розробити новий матеріал з мікроархітектури, здатний усунути деякі недоліки поточного покоління літій-іонних акумуляторів. Отримані «вегетаріанські» батареї володіють високою питомою ємністю і відмінним запасом циклів зарядки-розрядки, а це вже зовсім немало.
