Le batterie stampate in 3D si comprimono fino al 60%. Credito ACS Nano
Mentre le tecnologie elettroniche flessibili ed estensibili hanno fatto passi da gigante negli ultimi 10 anni, le batterie per alimentarli hanno un po' di tempo da recuperare. Ricercatori a Singapore e in Cina hanno ora dimostrato una batteria "quasi allo stato solido", realizzata con materiali a metà tra un liquido e un solido, che può essere compressa fino al 60% mantenendo un'elevata densità di energia e una buona stabilità oltre 10, 000 cicli di carica-ricarica. La fabbricazione della batteria sfrutta la stampa 3D, quale, pur attirando l'interesse per la produzione di complesse strutture di batterie, ha posto sfide per le batterie che possono allungarsi, schiacciare e piegare mentre si alimentano i dispositivi.
"La tecnologia di stampa 3D è un settore in rapido sviluppo, "dice Hui Ying Yang, un ricercatore di scienze dei materiali presso la Singapore University of Technology and Design che ha guidato la ricerca riportata in ACS Nano . Spiega che ciò ha spinto lei e i suoi colleghi ad applicare la tecnologia alla loro ricerca sulle batterie per la prototipazione rapida, consentendo loro "di produrre elettrodi per batterie con qualsiasi forma arbitraria, strati e modelli."
La trama si infittisce
I fiocchi di ossido di grafene (GO) in soluzioni acquose sono stati un popolare materiale "inchiostro" in quanto producono dispersioni stabili e le loro proprietà reologiche (come scorrono e si deformano) possono essere regolate fino a un certo punto. Però, additivi come ioni calcio, nanotubi di carbonio e nanofibre di cellulosa sono necessari per ottenere un aerogel GO con il tipo di viscosità con cui può funzionare una stampante 3D. La ricerca in questa direzione ha portato a strutture ultraleggere stampate in 3D con GO ridotto (ovvero, trattato per rimuovere l'ossigeno in modo che il materiale sia più simile al grafene) con grande conducibilità e comprimibilità. Ma le strutture in nano carbonio da sole non immagazzinano energia elettrochimica, e l'aggiunta di additivi elettrochimicamente attivi all'inchiostro da stampa per realizzare una batteria porta quindi a problemi con le proprietà reologiche dell'inchiostro.
Anziché, Yang e i suoi colleghi hanno stampato il loro aerogel di nanocarbonio e poi hanno depositato nanomateriali elettrochimicamente attivi a base di ferro e nichel sulla struttura stampata. Per ottenere la viscosità desiderata dell'inchiostro da stampa, hanno miscelato i fiocchi di GO con nanotubi di carbonio (CNT). Hanno quindi immerso le strutture reticolari stampate in una miscela di ammoniaca e solfati, compreso il solfato di nichel, che ha portato alla formazione di Ni(OH) 2 nanoflakes sulla struttura. Quando hanno trattato il reticolo di nanocarbonio con nitrato di ferro e cloruro di ferro, poroso αFe 2 oh 3 gli array di nanorod sono invece cresciuti sulla superficie del reticolo.
Esibirsi in una stretta
Le batterie quasi allo stato solido al nichel-ferro hanno già attirato l'interesse a causa di una serie di attributi desiderabili, compreso il basso costo, elevata ciclabilità e buona stabilità meccanica. Yang e i suoi collaboratori hanno studiato le prestazioni reologiche ed elettrochimiche del Ni(OH) 2 e αFe 2 oh 3 strutture di nanocarbonio caricate, regolazione delle dimensioni della struttura e utilizzo di idrossido di potassio liquido acquoso o gel polimerico come elettrolita. Sono stati in grado di dimostrare una batteria che può essere compressa del 60% e mantenere un'eccellente stabilità in bicicletta (~ 91,3% di ritenzione della capacità dopo 10, 000 cicli di carica-scarica) e ad altissima densità di energia (28,1 mWh cm -3 con una potenza di 10,6 mW cm -3 ). Collegando quattro dispositivi in serie, hanno mostrato che i dispositivi potevano accendere un LED blu.
"La nostra strategia sintetica non fornisce solo un metodo efficace per la produzione di batterie comprimibili mediante la stampa 3D, ma anche promuovere applicazioni future per dispositivi elettronici flessibili/indossabili resistenti allo stress, " dice Yang. Eppure durante la stampa la batteria è facilmente scalabile, la densità energetica non è attualmente in concorrenza con i dispositivi commerciali (non comprimibili). "Prossimo, studieremo ulteriormente le batterie ricaricabili acquose stampate in 3D ad alta densità di energia e piattaforme ad alta scarica, come le batterie Zn-aria, e così via, "dice Yang.
Questo lavoro di ricerca è fortemente supportato dal SUTD Digital Manufacturing and Design Centre.
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