(Phys.org) — La stampa 3D può ora essere utilizzata per stampare microbatterie agli ioni di litio delle dimensioni di un granello di sabbia. Le microbatterie stampate potrebbero fornire elettricità a piccoli dispositivi in ​​campi dalla medicina alle comunicazioni, compresi molti che sono rimasti sui banchi di laboratorio per mancanza di una batteria abbastanza piccola da adattarsi al dispositivo, ma forniscono abbastanza energia immagazzinata per alimentarli.

Per realizzare le microbatterie, un team con sede presso l'Università di Harvard e l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha stampato pile interlacciate con precisione di minuscoli elettrodi per batterie, ciascuno meno della larghezza di un capello umano.

"Non solo abbiamo dimostrato per la prima volta che possiamo stampare in 3D una batteria, lo abbiamo dimostrato nel modo più rigoroso, "ha detto Jennifer Lewis, dottorato di ricerca, autore senior dello studio, che è anche Hansjörg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering presso la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), e membro della facoltà principale del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering presso l'Università di Harvard. Lewis ha guidato il progetto nella sua precedente posizione presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, in collaborazione con il coautore Shen Dillon, un Assistant Professor di Scienza e Ingegneria dei Materiali lì.

I risultati saranno pubblicati online il 18 giugno sulla rivista Materiale avanzato .

Negli ultimi anni gli ingegneri hanno inventato molti dispositivi miniaturizzati, compresi gli impianti medici, robot simili a insetti volanti, e minuscole fotocamere e microfoni che si adattano a un paio di occhiali. Ma spesso le batterie che li alimentano sono grandi o più grandi dei dispositivi stessi, il che vanifica lo scopo di costruire piccoli.

Per aggirare questo problema, i produttori hanno tradizionalmente depositato film sottili di materiali solidi per costruire gli elettrodi. Però, grazie al loro design ultrasottile, queste micro-batterie a stato solido non contengono energia sufficiente per alimentare i dispositivi miniaturizzati di domani.

Gli scienziati si sono resi conto che avrebbero potuto accumulare più energia se fossero riusciti a creare pile di pile strettamente interlacciate, elettrodi ultrasottili costruiti fuori piano. Per questo si sono rivolti alla stampa 3D. Le stampanti 3D seguono le istruzioni dei disegni tridimensionali del computer, depositare strati successivi di materiale - inchiostri - per costruire un oggetto fisico da zero, proprio come impilare un mazzo di carte uno alla volta. La tecnica è utilizzata in una vasta gamma di campi, dalla produzione di corone nei laboratori odontotecnici alla prototipazione rapida del settore aerospaziale, settore automobilistico, e beni di consumo. Il gruppo di Lewis ha notevolmente ampliato le capacità della stampa 3D. Hanno progettato un'ampia gamma di inchiostri funzionali, inchiostri con utili proprietà chimiche ed elettriche. E hanno usato quegli inchiostri con le loro stampanti 3D personalizzate per creare strutture precise con l'elettronica, ottico, meccanico, o proprietà biologicamente rilevanti che desiderano.

Per stampare elettrodi 3D, Il gruppo di Lewis ha inizialmente creato e testato diversi inchiostri specializzati. A differenza dell'inchiostro di una stampante a getto d'inchiostro per ufficio, che fuoriesce come goccioline di liquido che bagnano la pagina, gli inchiostri sviluppati per la stampa 3D basata sull'estrusione devono soddisfare due difficili requisiti. Devono uscire da beccucci fini come il dentifricio da un tubetto, e devono immediatamente indurirsi nella loro forma finale.

In questo video, un ugello della stampante 3D più stretto di un capello umano depone un "inchiostro" appositamente formulato strato dopo strato per costruire l'anodo di una microbatteria da zero. A differenza dell'inchiostro di una stampante a getto d'inchiostro per ufficio, che fuoriesce come goccioline di liquido e bagna un pezzo di carta, questi inchiostri per stampanti 3D sono appositamente formulati per uscire dall'ugello come un dentifricio da un tubo, quindi si induriscono immediatamente in strati sottili come quelli prodotti con metodi di produzione a film sottile. Inoltre, gli inchiostri contengono nanoparticelle di un composto di ossido di litio metallico che conferiscono all'anodo le proprietà elettriche appropriate. Credito:Teng-Sing Wei, Bok Yeop Ahn, Jennifer Lewis

In questo caso, gli inchiostri dovevano anche funzionare come materiali elettrochimicamente attivi per creare anodi e catodi funzionanti, e dovevano indurirsi in strati sottili quanto quelli prodotti con metodi di produzione a film sottile. Per raggiungere questi obiettivi, i ricercatori hanno creato un inchiostro per l'anodo con nanoparticelle di un composto di ossido di litio metallico, e un inchiostro per il catodo da nanoparticelle di un altro. Il tipografo depositava gli inchiostri sui denti di due pettini d'oro, creando una pila strettamente interlacciata di anodi e catodi. Quindi i ricercatori hanno confezionato gli elettrodi in un minuscolo contenitore e lo hanno riempito con una soluzione elettrolitica per completare la batteria.

Prossimo, hanno misurato quanta energia potrebbe essere racchiusa nelle minuscole batterie, quanta potenza potrebbero fornire, e per quanto tempo hanno tenuto una carica. "Le prestazioni elettrochimiche sono paragonabili alle batterie commerciali in termini di velocità di carica e scarica, vita del ciclo e densità di energia. Siamo solo in grado di raggiungere questo obiettivo su una scala molto più piccola, " disse Dillon.

"Gli innovativi design degli inchiostri a microbatterie di Jennifer espandono notevolmente gli usi pratici della stampa 3D, e contemporaneamente aprono possibilità completamente nuove per la miniaturizzazione di tutti i tipi di dispositivi, sia medico che non medico. È tremendamente eccitante, ", ha affermato il direttore fondatore di Wyss, Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca