Bateria, którą można wydrukować w dowolnym kształcie i rozmiarze

Na Politechnice Wrocławskiej zrodził się pomysł stworzenia miniaturowej celi elektrochemicznej do gromadzenia energii. – Chodzi o baterie i superkondensatory, tyle że bardzo małe i wykonane w zupełnie inny sposób niż te tradycyjne, które są dostępne na rynku – mówi dr inż. Karolina Laszczyk, autorka projektu. Realizuje go wspólnie z doktorantem Bartoszem Kawą oraz studentami: Piotrem Śliwińskim i Bartłomiejem Kozakiewiczem w Zakładzie Mikroinżynierii i Fotowoltaiki. - Obecnie produkcja baterii wygląda tak, że najpierw robi się jej zawartość, czyli to, co odpowiada za gromadzenie i przewodzenie energii. Następnie opracowuje się do tego obudowę. My odwróciliśmy ten proces, najpierw drukujemy w technologii 3D dowolnego kształtu obudowę, a następnie wtłaczamy do niej zawartość, tj. materiały na elektrody i elektrolit. Finalnie chcemy nawet wszystko zrobić za jednym razem – wyjaśnia dr Laszczyk. Naukowcy wykorzystują fakt, że technologia druku 3D bardzo dynamicznie się rozwija. – Teraz możemy drukować w różnorodnych materiałach, takich jak tworzywa termoplastyczne, ceramika, metale czy hydrożele – tłumaczy Bartosz Kawa. Dodaje, że dzięki ich koncepcji opartej na druku 3D, który jest znany i coraz bardziej powszechny, zaproponowane przez nich rozwiązanie będzie miało bardzo szerokie zastosowanie w przemyśle. - Będziemy mogli zaprojektować baterię w dowolnym kształcie, dowolnie ją umiejscowić, np. jako element obudowy jakiegoś urządzenia i potem w całości, czyli obudowę i zawartość, wydrukować w jednym procesie technologicznym. Co więcej, wydajność takiej baterii czy kondensatora będzie bardzo wysoka – mówi Bartosz Kawa. Bateria a superkondensator Naukowcy wyjaśniają, że superkondensatory bardzo szybko się ładują i rozładowują podobnie jak kondensatory elektrolityczne, ale pozwalają przy tym gromadzić więcej energii. Z kolei baterie dostarczają bardzo dużo energii, ale wolno się ładują i rozładowują. Rozwiązaniem pośrednim są superkondensatory, które mają większą energię niż komercyjne kondensatory i szybciej można je naładować. – Standardowy superkondensator czy bateria ma budowę „kanapkową”. Składa się z kilku warstw, m.in. kolektora, którego zadaniem jest przewodzić prąd, i materiału gromadzącego ładunki oraz separatora. My do tego celu używamy nanorurek węglowych – wyjaśnia dr Karolina Laszczyk, która przez kilka lat pracowała m.in. w Centrum Zastosowań Nanorurek Węglowych w Państwowym Instytucie Zaawansowanej Nauki i Technologii Przemysłowej w Japonii (AIST). – Aby nie było zwarcia, między warstwy trzeba włożyć separator (np. z celulozy) i wszystko wypełnia się elektrolitem, czyli cieczą przewodzącą – wyjaśnia dalej dr Laszczyk. Dodaje, że separator pozwala jonom, które znajdują się w elektrolicie przemieszczać się pomiędzy elektrodami. – Gdy podłączymy napięcie, wytwarzamy pole elektryczne między elektrodami i jony dodatnie zaczynają się kierować do elektrody ujemnej, a ujemne do dodatniej. W nanorurkach zaczynają się gromadzić ładunki, rozładowując je, dostarczamy energię do urządzenia – tłumaczy Bartosz Kawa. Żeby zwiększyć moc baterii, roluje się całą zawartość i „upycha” w odpowiednie opakowanie. Cela elektrochemiczna z druku 3D Dr Karolina Laszczyk: - Proponujemy zupełnie inne podejście. Najpierw robimy opakowanie w technologii 3D, które jest puste w środku, następnie podłączmy doprowadzenia, czyli małe rurki i wpompujmy odpowiednio materiały, które kształtujemy w elektrody, a także wprowadzamy elektrolit. Jest to odwrócenie całego procesu. Pomysł wydaje się bardzo prosty, ale teraz sprawdzamy, jak go zrealizować w odpowiednio małej skali. Badacze opracowują sposób wprowadzenia zawiesiny do obudowy metodą mikrofluidyczną. – Chodzi o maleńkie objętości płynów rzędu mikrolitrów lub mniej, które kanałami i przy wykorzystaniu różnego typu urządzeń w mikroskali, tj. zaworów, pompek, mieszadełek itp., będą w kontrolowany sposób wprowadzane do obudowy, a następnie utwardzane, tak jak w przypadku elektrod. - Na razie pracujemy nad strukturami prostymi w większej skali. Zostały one już zmierzone i działają prawie idealnie. Pozostaje kwestia przeniesienia do mniejszego rozmiaru – mówi dr Laszczyk. Źródło: © Politechnika Wrocławska