Is 3D-printen de toekomst van batterijontwerp?

Batterijen Getty

Een van de ondersteunende technologieën van onze 21e-eeuwse levensstijl is de lithium-ionbatterij. Deze energiepakketten maken mobiele telefoons en elektrische auto's, laptops en zorgapparaten, robots en op afstand bediende sensoren en nog veel meer mogelijk. Het is misschien niet verwonderlijk dat hun ontwikkelaars eerder dit jaar de Nobelprijs voor scheikunde kregen.

Maar materiaalwetenschappers hebben dringend betere batterijen nodig voor het internet der dingen, voor de volgende generatie persoonlijke apparaten en nog veel meer. Er zal ook een beroep worden gedaan op betere batterijen om een ​​grote rol te spelen bij het opslaan van de energie uit hernieuwbare, maar inconstante bronnen zoals wind en zon.

De prestaties van de batterij zijn het resultaat van tal van verschillende factoren. Energiedichtheid is cruciaal; dat geldt ook voor het vermogen om de lading vast te houden zonder dat het weglekt. Dan is er oplaadbaarheid - niet slechts één keer, maar duizenden of tienduizenden keren - en natuurlijk veiligheid.

Elektrochemici weten maar al te goed hoe delicaat deze evenwichtsoefening is. Daarom zijn batterijfabrikanten voorzichtig met het uitproberen van nieuwe benaderingen, om te voorkomen dat een aspect van de prestaties achteruitgaat. Verbeteringen zijn dus meestal incrementeel en klein. Waar zijn de grote verbeteringen die we nodig hebben waarschijnlijk vandaan?

Vandaag krijgen we een soort antwoord: batterijen van de toekomst zullen worden gemaakt via 3D-printen, zeggen Vladimir Egorov van de Universiteit van Cork in Ierland en een paar collega's. Deze mensen hebben de verschillende nieuwe printtechnieken voor batterijen onderzocht en suggereren dat dit een nieuwe generatie kleinere, meer capabele apparaten mogelijk zal maken.

Eerst wat achtergrond. 3D-printen is de algemene term voor een verscheidenheid aan technieken waarmee driedimensionale objecten kunnen worden geconstrueerd door laag voor laag materiaal toe te voegen. Het kan een manier zijn om prototype-ontwerpen te maken om te testen, om nog maar te zwijgen van exotische etenswaren, vervangende lichaamsdelen en zelfs hele gebouwen. Door veel drukmachines tegelijk te gebruiken, is massaproductie mogelijk van artikelen zoals auto- en vliegtuigonderdelen en schoenen. En wanneer een nieuw ontwerp beschikbaar is, kan het snel worden afgedrukt, met minimale herconfiguratie van een fabrieksruimte.

Materiaalwetenschappers zijn ook begonnen te experimenteren met manieren om elektronische circuits te printen met polymeerinkten en een zilverpolymeer voor sporen, dus solderen is niet langer nodig. Op deze manier kunnen printplaten min of meer elke vorm aannemen en zelfs deel uitmaken van de structuur van een apparaat.

Een belangrijke beperking is echter de noodzaak om conventionele batterijen op te nemen, die in specifieke maten en vormen verkrijgbaar zijn.

De mogelijkheid om 3D-batterijen te printen zal daar verandering in brengen. Als ze kunnen worden afgedrukt om naadloos te integreren in het productontwerp, zowel om esthetische als om comfort- of functionele redenen, hoeft de grotere en vaste vormfactor standaardbatterij niet te worden ondergebracht in de productontwerpfase, zeggen Egorov en co.

Dit is makkelijker gezegd dan gedaan. De elektroactieve materialen die in batterijen worden gebruikt, zijn inherent reactief en structuren zoals anoden en kathoden zijn fysiek complex. Ze moeten vaak geordend zijn als kristallen, en soms poreus als moleculaire sponzen. Ze moeten altijd chemisch goed gekarakteriseerd zijn.

Het is een uitdaging om versies van deze materialen te maken die geschikt zijn voor 3D-printen, of het nu gaat om de extrusie van een vaste stof of een vloeistof of door de polymerisatie van vloeistof. Eenmaal geprint, moeten deze materialen hun elektrische onderlinge verbindingen behouden, alle chemische reacties die plaatsvinden tussen componenten nauwlettend beheersen en ervoor zorgen dat de batterijen gedurende vele cycli kunnen opladen en ontladen.

Het belangrijkste van alles is dat batterijen veilig moeten zijn. Alle batterijen moeten aan strenge veiligheidsnormen voldoen voordat ze kunnen worden gebruikt in huizen, voertuigen, vliegtuigen, enzovoort. Batterijen die lekken kunnen dure schade veroorzaken. Maar het grootste risico is brand. Het kan zijn dat de testcriteria moeten veranderen om nieuwe ontwerpen mogelijk te maken die voortdurend veranderen.

En zelfs als al deze uitdagingen kunnen worden overwonnen, doemt een andere vraag op. Zullen 3D-batterijen beter in staat zijn dan bestaande ontwerpen?

Egorov en co bieden een uitgebreid overzicht van de materialen, methoden en uitdagingen waarmee de batterij-industrie wordt geconfronteerd bij het printen van de powerpacks van de toekomst. Maar de recensenten missen een belangrijk element van het toekomstige batterijontwerp waar 3D-printen een belangrijke rol zou kunnen spelen.

Een van de grootste en belangrijkste uitdagingen voor de batterij-industrie is het recyclebaar maken van hun producten. De batterijen van tegenwoordig zijn zo ontworpen dat ze niet gemakkelijk uit elkaar kunnen worden gehaald, dus hergebruik van de waardevolle materialen die ze bevatten is bijna onmogelijk.

Dat past niet goed voor een technologie die een centrale rol moet gaan spelen in de maatschappelijke transitie van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare energie.

Verandering is dus hard nodig. De huidige gedachte is dat batterijen vanaf het begin moeten worden ontworpen met recycling in het achterhoofd, en dat dit een geheel nieuwe mentaliteit vereist van batterijontwerpers. De flexibiliteit die 3D-printen mogelijk maakt, heeft het potentieel om deze broodnodige revolutie op gang te brengen en te versnellen.

Terwijl Egerov en co dit probleem negeren (de term recycling komt niet voor in hun paper), kan de rest van de batterij-industrie het zich niet veroorloven.

Referentie: arxiv.org/abs/1912.04400 : Evolutie van 3D-afdrukmethoden en materialen voor elektrochemische energieopslag

zich verstoppen