Novo processo de impressão 3D oferece novas opções de design de armazenamento de energia

Pesquisadores da UNSW Sydney usaram uma impressora 3D padrão para produzir um mapa intrincado da Austrália feito de eletrólito de polímero sólido que foi então testado como um dispositivo de armazenamento de energia. Crédito:Dr Nathaniel Corrigan

Os engenheiros da UNSW desenvolveram um processo para imprimir eletrólitos de polímeros em estado sólido em qualquer formato desejado para uso em armazenamento de energia.
A equipe de pesquisa da Escola de Engenharia Química liderada pelo professor Cyrille Boyer, incluindo o Dr. Nathaniel Corrigan e Kenny Lee, diz que o processo de impressão 3D desse material pode ser particularmente útil em futuros dispositivos médicos, onde o armazenamento de energia pequeno e intrincado oferece uma série de de benefícios.

Os eletrólitos de estado sólido são um componente-chave em baterias de estado sólido, embora tradicionalmente sofram de baixo desempenho devido a baixas condutividades iônicas ou propriedades mecânicas ruins.

No entanto, em um artigo publicado em Materiais Avançados , a equipe da UNSW relata que seu eletrólito de polímero sólido (SPE) impresso em 3D oferece alta condutividade, bem como resistência robusta.

Isso significa que os eletrólitos de estado sólido podem potencialmente ser usados como a estrutura real de um dispositivo, criando uma gama de oportunidades de projeto concebíveis, particularmente para futuros produtos médicos.

"Ninguém imprimiu em 3D eletrólitos de polímeros sólidos antes. Tradicionalmente, eles eram feitos usando um molde, mas os processos anteriores não ofereciam a capacidade de controlar a resistência do material ou moldá-lo em formas complexas", diz Kenny Lee.

"Com eletrólitos de estado sólido existentes, quando você aumenta a resistência mecânica do material, você sacrifica muito a condutividade. Se você deseja maior condutividade, o material é muito menos robusto. O que conseguimos é uma combinação simultânea de ambos, que pode ser impresso em 3D em geometrias sofisticadas.

"Este eletrólito de polímero tem potencial para ser um material de armazenamento de energia de suporte de carga. Devido à sua força, pode ser usado como a estrutura real de pequenos eletrônicos, ou em aplicações aeroespaciais, ou em pequenos dispositivos médicos pessoais, devido ao nosso processo de impressão 3D. pode ser muito complexo e preciso.

"Podemos criar estruturas realmente minúsculas com o tipo de sistema que estamos usando. Portanto, tem uma aplicação fantástica em nanotecnologia e em qualquer lugar que você precise projetar armazenamento de energia em um nível de microescala."

Aumento da estabilidade de ciclismo

Embora o eletrólito de polímero sólido desenvolvido pela equipe da UNSW seja considerado um material de alto desempenho, os pesquisadores dizem que ele pode ser fabricado usando impressoras 3D baratas e disponíveis comercialmente, em vez de equipamentos de engenharia sofisticados.

O SPE descrito no artigo é composto de canais condutores de íons em nanoescala incorporados em uma matriz polimérica rígida reticulada. É produzido através de um processo conhecido como separação de microfases induzida por polimerização (PIMS).

Para mostrar a versatilidade do material, os pesquisadores imprimiram em 3D um intrincado mapa da Austrália, que foi testado como um dispositivo de armazenamento de energia.

"One of the other benefits of this SPE in energy storage devices is the fact it increases the cycling stability—that is the number of charging and discharging cycles until its capacity is reduced to a certain amount," says Dr. Corrigan.

"In our paper, we show that this material is very stable and has the ability to charge and discharge over thousands of cycles. After 3,000 cycles there was only roughly a 10% drop."

The researchers say 3D printing also reduces wastage compared to other traditional forms of manufacturing and reduces costs since the same machine can be used to produce a variety of differently shaped materials.

In future, they say product designers could utilize their SPE to create items with a much higher energy storage density.

"Imagine an earpod predominantly made out of this material, which is also acting as the battery. The storage density will be much higher and the power would therefore last longer," says Professor Boyer.

"We really hope to be able to push forward in terms of commercialization because we've created some really incredible materials and processes." + Explorar mais