Micro-accu uit 3D-printer (video)

Om zulke micro-accu’s te maken heeft een onderzoeksgroep op de Harvard University en de University of Illinois in Urbana-Champaign kleine pakketjes accu-elektroden met zeer nauwkeurige onderlinge afstanden en een diameter kleiner dan een mensenhaar geprint.

"We hebben niet alleen voor het eerst gedemonstreerd dat we een accu kunnen 3D-printen, maar we lieten het meteen op de meest rigoureuze manier zien", vindt Jennifer Lewis, hoogleraar Biologically Inspired Engineering op de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Lewis was een van de leiders van het project, tijdens haar vorige baan in Illinois, samen met materiaalwetenschapper professor Shen Dillon van de University of Illinois.

Gedurende de afgelopen jaren hebben engineers de meest uiteenlopende miniatuurapparaatjes ontwikkeld, waaronder medische implantaten, vliegende insectachtige robotjes en minicamera’s en microfoons die passen in een bril. Maar vaak zijn de ervoor benoodigde batterijen groter dan die apparaatjes zelf .
Om dit probleem te omzeilen, maakten fabrikanten elektroden van dunne films van vaste stoffen. Maar door het ultradunne ontwerp kunnen deze solid-state micro-accu’s onvoldoende energie opslaan om de miniatuurelektronica te voeden.

Speciale inkten

Het onderzoeksteam bedacht dat er meer energie zou kunnen worden opgeslagen als ze pakketten strak geïnterlinieerde, ultradunne elektroden zouden maken, opgebouwd vanuit een vlak. Daarvoor richtten ze zich op de 3D-printtechniek. Lewis’ groep heeft de mogelijkheden van 3-printen sterk uitgebreid. Ze hebben een reeks van functionele inkten ontworpen, met geschikte chemische en elektrische eigenschappen. Ze gebruikten die inkten met speciaal voor dit doel gebouwde 3D-printers om precieze structuren te bouwen met relevante elektronische, optische, mechanische of biologische eigenschapen naar keuze.

Om 3D-elektroden te printen ontwikkelde en testte de groep van Lewis eerste verschillende speciale inkten. Die inkten moeten voldoen aan twee lastige eisen: ze moeten uit fijne spuitmongjes komen als tandpasta uit een tube en ze moeten onmiddellijk uitharden in hun definitieve vorm.

In dit geval moesten ze ook functioneren als elektrochemisch actief materiaal om werkende anoden en kathoden te krijgen en ze moesten uitharden in laagjes die zo smal zijn als de lagen die worden verkregen met dunnefilm-productiemethoden. Om aan deze eisen te voldoen, maakten de onderzoekers een inkt voor de anode met nanodeeltjes van een lithium metaaloxidelegering en een inkt voor de kathode met nanodeeltjes van een andere legering van hetzelfde materiaal.

Pakket

De printer bracht de lagen aan op de tanden van twee gouden kammen, waardoor een strak geïnterlinieerd pakket van anoden en kathoden ontstond. Vervolgens werden de elektroden in een minuscule container geplaatst, die werd gevuld met een elektrolytoplossing om de accu compleet te maken.

Daarna konden ze meten hoeveel energie kan worden opgeslagen in de keline accu, hoeveel vermogen hij kan leveren en hoe lang hij zijn lading vasthoudt.

"De elektrochemische eigenschappen zijn vergelijkbaar met die van commercieel verkrijgbare accu’s, voor wat betreft lading en ontlading, levensduur en eneriedichtheid", zegt Dillon. "We zijn alleen in staat om dit op een veel kelinere schaal te realiseren."

Lewis en Dillon publiceerden een artikel over hun onderzoek in het Journals of Advanced Materials, samen met Ke Sun, student materiaalwetenschappen in Illinois, Teng-Sing Wei, student op Harvard SEAS, Bok Yeop Ahn, wetenschappelijk onderzoeker, en Jung Yoon Seo, van het Korea Advanced Institute of Science and Technology en gastonderzoeker in het team van Lewis.

Tiny 3D-Printed Battery from Wyss Institute on Vimeo.