從月球和火星土壤中獲取原材料，UTEP開發(fā) 3D 打印可塑性電池新技術

2023年3月26日，南極熊獲悉，來自德克薩斯大學埃爾帕索分校（UTEP）的研究人員正在開發(fā)一項3D打印電池新技術，該項目由美國國家航空航天局（NASA）提供資金，旨在利用月球和火星的雷石（覆蓋在月球和火星表面的高性能材料）制造可充電電池。

UTEP工程學院院長KenithMeissner博士說："UTEP在太空3D打印技術方面處于領先地位，我向參與這項重要工作的UTEP研究人員團隊表示祝賀。我相信他們的工作將能夠為這個項目帶來巨大的價值，從而幫助我們重返月球或是登陸火星。"

UTEP被授予了61.5萬美元的項目款，這是NASA主導的250萬美元項目中的一部分，該項目成員包括揚斯敦州立大學（YSU）、3D打印機制造商Formlabs和ICON。其中，ICON公司目前領導NASA的火星沙丘阿爾法項目，旨在3D打印火星上的未來棲息地。

據(jù)UTEP稱，該項目的長期目標是通過減少有效載荷重量和固定體積，最大限度地提高宇航員在未來月球和火星任務中的可持續(xù)性。利用月球或火星上廣泛存在的當?shù)刭Y源對于開發(fā)基礎設施至關重要，如居住模塊、發(fā)電和儲能設施。

UTEP工程學院的航空航天和機械工程教授兼副院長Eric MacDonald博士說："UTEP是美國國家航空航天局領導的這個項目的開創(chuàng)性合作伙伴，我們在增材制造方面有著豐富的經驗。UTEP在3D打印、材料科學方面的聲譽，以及我們最先進的設施，是說服我們的NASA合作伙伴進行這項潛在的變革性研究的重要因素，我們開展該項不僅是為了太空探索，也為了擴大電池的地面應用。"

美國化學學會的同行評審期刊《ACS Energy Letters》在1月份發(fā)表了一篇題為 "月球和火星上的電池制造會是什么樣子？"的文章，詳細介紹了UTEP和NASA研究人員在這個項目上已經取得的進展。發(fā)表的論文強調了兩種類型的3D打印工藝--材料擠壓（ME）和大桶光聚合（VPP）--以在月球和火星上生產可塑形的電池。

相關論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.2c02743

可塑型電池是復雜的三維電池設計，由于其能夠填充物體的尺寸，因此優(yōu)于現(xiàn)有的商業(yè)電池。這種量身定做的電池特別適合應用于小型航天器、便攜式電源設備、機器人以及月球和火星棲息地任務的大規(guī)模電源系統(tǒng)。

表示使用月球和火星 ISRU 作為材料原料提取和制造可充電電池以支持長期人類任務的插圖。這幅原創(chuàng)藝術作品是根據(jù)參考文獻構思、創(chuàng)作和改編的，由 A. Maurel、P. Garcia設計。來源：美國宇航局

這項工作的另一個潛在成果是開發(fā)可在地球上使用的可塑形電池。這些電池可以嵌入到3D打印的混凝土墻中，并與太陽能發(fā)電相連接，以創(chuàng)造緊湊的、可自我維持能源供應的房屋，用于應對災害，以及在發(fā)展中國家。

(a) 相關負極材料的理論重量或體積容量值。(b) 生產 1 Ah 負極材料所需的月球原料量。

雖然商業(yè)鋰離子電池可以在今天的大多數(shù)應用中找到，但從月球和火星土壤中制造鋰離子電池并不是一個可行的選擇，因為月球上很少有鋰。在這個項目中，UTEP的研究小組目前將工作重點放在鈉離子電池化學上，基于月球豐富的鈉資源。

經典電池和 3D 打印電池制造步驟。（*在用陶瓷電解質一次性多材料3D打印全固態(tài)電池后，可能會增加一個額外的熱后處理步驟，通過去除聚合物基體來提高電化學性能。必須避免這個額外的步驟如果使用固體聚合物電解質。）

UTEP航空航天和機械工程系的法國富布賴特學者Alexis Maurel博士說："與NASA的這個項目是一個展示UTEP在能源儲存和3D打印方面的專業(yè)知識的機會。增材制造似乎是一種獨特的方法，可以制造可塑形的電池，以支持人類在太空和月球或火星表面的行動，因為那里的貨物補給不是那么容易獲得。"

除了MacDonald和Maurel之外，UTEP團隊還包括Ana C. Martinez博士，UTEP航空航天和機械工程系的博士后研究員，以及SreeprasadSreenivasan博士，化學和生物化學系的助理教授。

在項目的初始階段，美國宇航局、UTEP和揚州大學將確定并致力于從月球和火星的巖石中提取電池材料和前體。UTEP/YSU團隊已經為鈉離子電池的每個部分（即電極、電解液、集電體）開發(fā)了和VPP3D打印復合樹脂原料。美國宇航局馬歇爾太空飛行中心和艾姆斯研究中心的團隊為不同的電池部件開發(fā)和ME 3D打印復合油墨。UTEP和NASA的格倫研究中心正在對完成的3D打印鈉離子電池組件進行電化學測試。