As baterias impressas em 3D comprimem em até 60%. Crédito ACS Nano
Embora as tecnologias eletrônicas flexíveis e expansíveis tenham progredido aos trancos e barrancos nos últimos 10 anos, as baterias para alimentá-los precisam ser atualizadas. Pesquisadores em Cingapura e na China demonstraram agora uma bateria de "quase-estado sólido" - feita de materiais em algum lugar entre um líquido e um sólido - que pode ser comprimida em até 60% enquanto mantém alta densidade de energia e boa estabilidade acima de 10, 000 ciclos de carga-recarga. A fabricação da bateria explora a impressão 3-D, que, ao mesmo tempo que atrai o interesse para a produção de estruturas de bateria complexas, impôs desafios para baterias que podem esticar, esmague e dobre enquanto alimenta dispositivos.
"A tecnologia de impressão 3-D é uma área de desenvolvimento muito rápido, "diz Hui Ying Yang, um pesquisador de ciência de materiais na Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura que liderou a pesquisa relatada em ACS Nano . Ela explica que isso fez com que ela e seus colegas aplicassem a tecnologia em suas pesquisas de bateria para prototipagem rápida, permitindo-lhes "produzir eletrodos de bateria com qualquer forma arbitrária, camadas e padrões. "
A trama se complica
Flocos de óxido de grafeno (GO) em soluções aquosas têm sido um material de "tinta" popular, pois fazem dispersões estáveis e suas propriedades reológicas (como fluem e deformam) podem ser ajustadas em um certo grau. Contudo, aditivos como íons de cálcio, nanotubos de carbono e nanofibras de celulose são necessários para obter um aerogel GO com o tipo de viscosidade com a qual uma impressora 3-D pode trabalhar. A pesquisa nesta direção levou a estruturas ultraleves impressas em 3D de GO reduzido (isto é, tratado para remover o oxigênio de forma que o material fique mais parecido com o grafeno) com ótima condutividade e compressibilidade. Mas as nanoestruturas de carbono sozinhas não armazenam energia eletroquímica, e adicionar aditivos eletroquimicamente ativos à tinta de impressão para fazer uma bateria leva a problemas com as propriedades reológicas da tinta.
Em vez de, Yang e seus colegas imprimiram seu aerogel de nanocarbono e, em seguida, depositaram nanomateriais à base de ferro e níquel eletroquimicamente ativos na estrutura impressa. Para atingir a viscosidade desejada da tinta de impressão, eles misturaram flocos de GO com nanotubos de carbono (CNTs). Eles então imergiram as estruturas da rede impressa em uma mistura de amônia e sulfatos, incluindo sulfato de níquel, que levou à formação de Ni (OH) 2 nanoflakes na estrutura. Quando eles trataram a rede de nanocarbono com nitrato de ferro e cloreto de ferro, αFe poroso 2 O 3 arrays de nanorods cresceram na superfície da rede.
Se apresentando em um aperto
Baterias de estado quase sólido de níquel-ferro já atraíram interesse devido a uma série de atributos desejáveis, incluindo baixo custo, alta ciclabilidade e boa estabilidade mecânica. Yang e seus colaboradores estudaram o desempenho reológico e eletroquímico do Ni (OH) 2 e αFe 2 O 3 estruturas de nanocarbono carregadas, ajustar as dimensões da estrutura e usar um líquido aquoso ou hidróxido de potássio em gel de polímero como eletrólito. Eles foram capazes de demonstrar uma bateria que poderia ser comprimida em 60% e manter excelente estabilidade de ciclo (~ 91,3% de retenções de capacidade após 10, 000 ciclos de carga-descarga) e densidade de energia ultra-alta (28,1 mWh cm -3 a uma potência de 10,6 mW cm -3 ) Ao conectar quatro dispositivos em série, eles mostraram que os dispositivos podiam acender um LED azul.
"Nossa estratégia sintética não só fornece um método eficaz para a fabricação de baterias compressíveis por impressão 3-D, mas também promover aplicações futuras para dispositivos eletrônicos flexíveis / vestíveis tolerantes ao estresse, "diz Yang. No entanto, embora a impressão da bateria seja facilmente escalonável, a densidade de energia não compete atualmente com dispositivos comerciais (não compressíveis). "Próximo, estudaremos mais detalhadamente as baterias recarregáveis aquosas impressas em 3D com alta densidade de energia e plataformas de alta descarga, como baterias Zn-air, e assim por diante, "diz Yang.
Este trabalho de pesquisa é fortemente apoiado pelo SUTD Digital Manufacturing and Design Center.
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