Additív gyártással tetszőleges formát kaphat az akkumulátor egyik kulcseleme. Az eljárás révén az energiatároló bármilyen szabadon tervezett eszköz vázába beépíthető.
Évtizedek óta egyetlen meghatározó korlát szabott irányt a szórakoztatóelektronikai termékek tervezésének: az akkumulátor formája. Legyen szó okostelefonról, laptopról vagy orvosi műszerekről, a mérnököknek mindig a merev, szabványos méretű energiatároló egységek köré kellett megálmodniuk a készülékházakat. A Texasi Egyetem el pasói intézményének (UTEP) kutatói azonban olyan áttörést értek el, amely alapjaiban forgathatja fel a terméktervezés folyamatát.
A munkacsoport eljárása 3D-nyomtatással, tetszőleges alakzatban képes előállítani az akkumulátorok működéséhez elengedhetetlen elektrolitot.
A kutatás fókuszában a gél-polimer elektrolitok álltak. A hagyományos akkumulátorokban használt elektrolitok folyékony halmazállapotúak, ami komoly tervezési nehézségeket okoz: a folyadékot szivárgásmentes, merev házba kell zárni. Ez nemcsak a formai szabadságot korlátozza, hanem biztonsági kockázatot is jelent, hiszen a borítás sérülése esetén a maró anyag kifolyhat. Az el pasói kutatók erre válaszul egy speciális, nyomtatható gélt hoztak létre.
A receptúra alapját fényre keményedő gyanta adja, amelyet lítiumalapú folyékony elektrolittal vegyítettek. Az anyagot kádas fotopolimerizációs technológiával, rétegenként szilárdították a kívánt formára.
„Éveken át az akkumulátor alakja határozta meg az általa táplált eszköz formáját. Most megmutattuk, hogy egy nagy teljesítményű elektrolit-alkatrészt bármilyen formában ki lehet nyomtatni, és szinte bárhová el lehet helyezni. Ez alapjaiban változtatja meg a tervezők lehetőségeit” – mutatott rá Alexis Maurel (képünkön), a Communications Engineering folyóiratban megjelent tanulmány vezető kutatója.
Laboratóriumi levegőn is előállítható a kritikus akkumulátor-összetevő
A kísérletek szerint a 3D-nyomtatott anyag teljesítménye nem marad el a hagyományos gyártással készült változatokétól. A mérések során az ionvezetési képesség elérte a 3,4 × 10⁻³ siemens per centiméteres értéket, ami csaknem megegyezik a folyékony elektrolitok hatékonyságával. A szakemberek azt is megállapították, hogy a gyanta és az elektrolit 1:4 arányú keveréke biztosítja a legoptimálisabb egyensúlyt az akkumulátor szerkezeti stabilitása és elektrokémiai teljesítménye között.
Különösen figyelemre méltó, hogy a folyamat nem igényel speciális környezetet.
A kutatócsoport ugyanis nem zárt, oxigénmentes kamrában, hanem normál laboratóriumi levegőn nyomtatta ki az elektrolitokat, az anyag pedig ebben a környezetben is megőrizte tulajdonságait. A technológia sokoldalúságát többféle geometriai alakzattal is demonstrálták: a nyomtatott tárgyak között szerepeltek egyszerű korongok, nyitott méhsejt-szerkezetek és egy tömör, egycentiméteres kocka is.
Mindez azt bizonyítja, hogy a jövőben az energiatárolót egyaránt lehet majd hordható okoseszközhöz, orvosi műszerhez vagy akár egy repülőgép-alkatrészhez formázni.
A fejlesztés során a tudósok pontosan feltérképezték azt is, hogy a választott oldószer hogyan befolyásolja a nyomtathatóságot és az akkumulátor stabilitását. Az egyik vizsgált összetétel kifejezetten tartósnak bizonyult az ismételt tesztelések során is. Az UTEP mérnöki karának dékánja szerint a projekt túlmutat az egyszerű anyagtudományi sikereken, és „rámutat, hogyan olvadnak össze a fejlett gyártási és energiatechnológiák, hogy teljesen új lehetőségeket teremtsenek az akkumulátor-tervezésben”. Kenith Meissner hozzátette: a munka következő fázisában a kutatók az összetételek további finomítására koncentrálnak, a végső cél pedig az, hogy a most kifejlesztett nyomtatott elektrolitokat működő, teljes akkumulátorcellákba építsék.
Címlapkép: UTEP
„A Roszatom Műszaki Akadémián képzett szakemberek már most olyan kompetenciákat sajátítottak el, amelyekre az erőművi blokkok üzembe helyezésének minden szakaszában szükség lesz.”