哈弗大學(xué)研發(fā)的3D打印微型鋰電池

美國(guó)哈弗大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)厄巴納－香檳分校的研究人員們展示了他們采用3D打印技術(shù)制作的沙粒大小的鋰離子微電池（左圖），用于為過去那些因?yàn)檎也坏阶銐蛐〉碾姵囟鵁o法啟用的微型設(shè)備提供電源儲(chǔ)備。這些微型設(shè)備將涉及從醫(yī)學(xué)到通信等眾多領(lǐng)域，比如一些醫(yī)學(xué)植入物，類昆蟲機(jī)器人，微型攝像頭和麥克風(fēng)等等。

制作微電池的關(guān)鍵在于微電極，哈弗大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)厄巴納－香檳分校的研究人員們所做的正是首次采用3D打印技術(shù)精確打印了比人類的頭發(fā)還細(xì)的交織的微電池電極堆。他們的研究成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》上。

沒有引入3D打印之前，傳統(tǒng)的制作微電池的方法是將固體材料沉積到薄膜上來建立電極，但這種辦法由于其超薄的設(shè)計(jì)，往往無法儲(chǔ)備足夠量的能源來支持這些微型設(shè)備。而引入3D打印技術(shù)之后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)他們可以將超細(xì)電極用緊湊的交織結(jié)構(gòu)堆砌起來。于是他們?cè)O(shè)計(jì)了一系列的功能性墨水：含有各種化學(xué)和電學(xué)屬性的墨水，并將這些墨水用在他們自制的3D打印機(jī)上，使他們的打印機(jī)能夠制作包含電子，光學(xué)，機(jī)械學(xué)，或生物學(xué)相關(guān)屬性的精確結(jié)構(gòu)。


為了打印微電池，一臺(tái)特質(zhì)的3D打印機(jī)被用來擠出比人類頭發(fā)還細(xì)的特制墨水。 通過層層打印，這些墨水固化形成電池的陽極（紅色）和陰極（紫色）。這些電極再被放入一個(gè)含有電解質(zhì)溶液的盒子（綠色）里，從而成為一個(gè)可用的微型電池。圖片源： Ke Sun, Bok Yeop Ahn, Jennifer Lewis, Shen J. Dillon

為了打印3D微電極，他們首先制作和測(cè)試了一些特制墨水。這些為擠出式3D打印開發(fā)的墨水必需能夠從比發(fā)絲還細(xì)的噴頭處像擠牙膏一樣被擠壓出來，它們還必需能夠在擠出后馬上硬化成型，更重要的是，這些墨水還要是擁有電化學(xué)活性的材料才能被用作微電池的陰極和陽極。為了滿足這些要求，科學(xué)家們分別制作了兩種含有不同氧化鋰成分的納米顆粒的墨水來做微電池的陽極和陰極。 制作好的墨水被特制的3D打印機(jī)打印成微電極之后，再將這些電極放入一個(gè)裝滿電解液的微型容器中，一個(gè)微電池就制作好了（上圖）。

在檢測(cè)這些微型電池能夠儲(chǔ)存多少能量，能夠輸出多少能量，以及為它們充電需要多長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，科研人員表示：“（它們的）在電化學(xué)方面的表現(xiàn)，包括充放比率、使用周期和能量密度等，都和商用電池差不多。唯一的不同就是我們能夠用小得多的體積來實(shí)現(xiàn)同樣的功能?！?br />

要帶來變革了