Per la prima volta, i ricercatori hanno stampato con successo un completo, seppur sperimentale, batteria agli ioni di litio con elettrolita a stato solido. Mentre gli elettrodi sono stati prodotti utilizzando la tecnologia di stampa 3D prima, ricercatori dell'Università dell'Illinois al Chicago College of Engineering hanno stampato una stalla, ma flessibile, elettrolita allo stato solido utilizzando una tecnica di stampa per estrusione a temperatura elevata. Riportano i loro risultati sulla rivista Materiale avanzato .

Le batterie agli ioni di litio sono comunemente utilizzate nell'elettronica domestica e portatile, e in alcuni veicoli a motore. Funzionano con il movimento degli ioni di litio dall'elettrodo negativo attraverso un elettrolita, che può essere liquido o solido, all'elettrodo positivo durante la scarica e poi di nuovo durante la fase di carica.

La produzione in serie di queste batterie è un processo laborioso e costoso. Gli elettrodi e l'elettrolita, che sono prodotti separatamente, devono essere riuniti e collocati all'interno di un involucro. È necessario un ambiente controllato per evitare la contaminazione e sono necessari molti rivestimenti e modifiche per completare la batteria. Con la produzione convenzionale, le dimensioni della batteria non possono essere cambiate facilmente, né le singole batterie possono essere modificate per adattarsi a dispositivi specifici perché richiederebbe che le macchine utilizzate per produrre le batterie vengano ripristinate a nuove specifiche.

La stampa 3D consente la produzione e la personalizzazione delle batterie in modo molto più rapido ed economico perché tutte le parti vengono stampate insieme contemporaneamente. Nelle batterie agli ioni di litio in cui gli elettrodi sono stati stampati in 3D, l'elettrolita prodotto convenzionalmente è sempre stato aggiunto successivamente in un passaggio separato.

Nella produzione convenzionale di elettroliti allo stato solido, gli involucri delle batterie devono essere preparati con vari rivestimenti e solventi utilizzati nella produzione dell'elettrolita che poi deve essere evaporato in una fase di post-produzione. Se un elettrolita viene stampato direttamente in una batteria stampata in 3D, l'evaporazione causerebbe il restringimento dell'elettrolita e l'allontanamento dagli elettrodi. Ciò potrebbe causare il cortocircuito della batteria. Anche i rivestimenti utilizzati per garantire un buon contatto dell'elettrolita con gli involucri e gli elettrodi sono estremamente difficili da incorporare in una batteria stampata in 3D.

Per aggirare questi problemi, Reza Shahbazian-Yassar, Professore Associato, e Yayue Pan, assistente professore di ingegneria meccanica e industriale presso l'UIC College of Engineering, insieme ai colleghi hanno progettato una stampante 3D unica che funziona a una temperatura elevata. Estrude i materiali a circa 120 gradi Celsius rispetto alla tradizionale stampa 3D per estrusione, che avviene a temperatura ambiente. Il loro inchiostro elettrolitico allo stato solido è costituito da una base polimerica contenente particelle di ossido di titanio che gli consentono di essere flessibile, oltre che funzionale. L'esclusivo inchiostro elettrolitico può essere depositato direttamente nella batteria durante la stampa.

"L'alta temperatura impedisce il restringimento post-produzione, " disse Meng Cheng, uno studente laureato presso l'UIC College of Engineering e autore principale dello studio. "La nostra tecnica migliora notevolmente l'efficienza della preparazione dell'elettrolita e la sua incorporazione nella batteria".

Le batterie sperimentali stampate in 3D di Shahbazian-Yassar avevano una maggiore capacità di carica/scarica e prestazioni migliori rispetto alle batterie in cui l'elettrolita è stato fabbricato con metodi tradizionali. "La scrittura diretta ad alta temperatura e i nostri inchiostri specializzati sono la prova del concetto che le batterie agli ioni di litio stampate in 3D sono possibili, " ha detto Reza.