Miniatiūriniams įrenginiams – mikroskopinės spausdintuvu spausdinamos baterijos (0)

2013-06-23

Harvardo universiteto ir Ilinojaus universiteto (abu JAV) mokslininkai pademonstravo galimybę trimačiu spausdintuvu atspausdinti bateriją. Jų pateiktose iliustracijose matomi pakaitomis susluoksniuoti elektrodai, kurie buvo išspausdinti sluoksnis po sluoksnio, taip gaunant visiškai veikiančius mikrobaterijos anodą ir katodą.

Prisijunk prie technologijos.lt komandos!

Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.

Sudomino? Užpildyk šią anketą!

Tai reiškia, kad naudojantis 3D spausdintuvu nuo šiol bus galima atsispausdinti smiltelės dydžio ličio jonų mikrobateriją. Atspausdintos mikrobaterijos gali maitinti nedidelius įrenginius – nuo medicininės paskirties aparatų iki telekomunikacijų įrangos. Mokslininkų teigimu, nemažas kiekis tokių įrenginių jau dabar yra sukurti, tačiau dulka ant laboratorijų lentynų, nes juos sukūrę mokslininkai negalėjo rasti pakankamai mažų ir efektyvių energijos šaltinių.

Mokslininkai mikrobateriją spausdino labai tiksliai išdėliodami už plauką plonesnius sluoksniuotus elektrodus.

„Ne tik pirmą kartą pademonstravome, kad 3D spausdintuvas tinkamas baterijoms gaminti – pademonstravome tai pačiu kruopščiausiu būdu“, – sakė mokslininkų grupės vadovė Jennifer A. Lewis.

Mokslinio darbo rezultatus publikavo recenzuojamas žurnalas „Advanced Materials“.

Pastaraisiais metais inžinieriai prigamino gausybę miniatiūrizuotų įrenginių – medicininių implantų, vabzdžio dydžio skraidančių robotų, mažučių kamerų ir mikrofonų, kuriuos galima būtų sumontuoti ant akinių. Bet labai dažnai didžiausia kliūtis pradėti visų šių įrenginių pramoninę gamybą yra baterijos, kurios paprasta būna ne mažesnės, o kartais – ir gerokai didesnės nei jų maitinami įrenginiai. Toks apribojimas iš esmės sunaikina visą miniatiūrizavimo esmę.

Norėdami peržengti šią kliūtį, gamintojai tradiciškai gamindavo baterijas iš plonų kietųjų medžiagų sluoksnių. Bet šių ultraplonų elektrodų sluoksnių technologijos apribojimas yra nepakankama energijos talpa ateities miniatiūrinei įrangai.

Mokslininkai suvokė, kad galėtų į bateriją sutalpinti daugiau energijos, jeigu pagamintų ultraplonų persidengiančių elektrodų masyvą iš vientisos medžiagos. Tam jie panaudojo trimatį spausdinimą. 3D spausdintuvai gaminius spausdina pagal trimačius kompiuterinius brėžinius.

Tiesa, J. A. Lewis su kolegomis gerokai išplėtė tradicinio trimačio spausdinimo galimybes – jie sukūrė funkcinius rašalus, kuriuose esama junginių su mokslininkams reikalingomis elektrinėmis savybėmis. Be to, spausdinimui buvo naudojami specialiai sukonstruoti 3D spausdintuvai, kurie, panaudojus tinkamus rašalus, gali sukurti tikslias struktūras, pasižyminčias pageidaujamomis elektroninėmis, optinėmis, mechaninėmis ar biologinėmis savybėmis.

Spausdinant mikrobateriją spausdintuvas per purkštuką, kuris yra plonesnis nei žmogaus plaukas, purškia specialų rašalą. Rašalui sustingus, gaunami pakaitomis susisluoksniavę anodas su katodu. Elektrodus ir elektrolitą dengia specialus, taip pat atspausdintas apvalkalas, taip gaunant veikiančią mikrobateriją.

Trimačių spausdintuvų rašalai nuo įprastinių rašalinių spausdintuvų rašalo skiriasi tuo, kad jie ne lašelių pavidalu nukrenta ant popieriaus ir išdžiūva, bet privalo atitikti du esminius reikalavimus: jie turi nenutrūkstama srove bėgti iš purkštuko ir, pasiekę gaminį, nedelsiant sustingti.

Šiuo atveju rašalai turi pasižymėti ir elektrochemiškai aktyvių medžiagų savybėmis, kad jais būtų galima atspausdinti veikiančius katodus ir anodus. Be to, jie turi sudaryti sluoksnius, kurie būtų ne storesni, nei gaminamieji iš plonų plėvelių. Taigi, mokslininkai sukūrė rašalą anodui iš nanodalelių su viena medžiaga, kurioje yra ličio oksido, o katodui – su kita medžiaga, kurios sudėtyje taip pat yra ličio oksido. Spausdintuvas rašalus purškia ant dviejų auksinių šukų pavidalo rėmelių, taip gaunant labai tankiai išdėstytus katodo ir anodo sluoksnius. O po to elektrodų komplektas patalpinamas į mažutę talpą su elektrolito tirpalu.

Mokslininkai išmatavo, kiek energijos galima sutalpinti į tokias baterijas, kokia yra šių baterijų galia, kiek ilgai jos išsaugo krūvį. „Tokių baterijų elektrocheminis veikimas pagal jų įkrovimo ir iškrovimo greitį, ciklo trukmę ir energijos tankį yra palyginamas su šiuolaikinėmis komercinėmis baterijomis“, – sakė vienas iš baterijos išradėjų.

„Inovatyvios Jennifer sukurtos spausdinamos baterijos neįtikėtinai išplečia 3D spausdintuvų panaudojimo galimybes ir tuo pačiu atveria naujas miniatiūrizacijos galimybes visose srityse – tiek medicinoje, tiek ir kitur. Tai neįtikėtinai nuostabu“, – džiūgavo Harvardo inžinerinių ir taikomųjų mokslų profesorius Donaldas Ingbergas.