北京
一項新的3D打印技術可讓工程師將高性能電池直接集成到可穿戴設備、醫療器械和航空航天部件中。
得克薩斯大學埃爾帕索分校（UTEP）的研究人員開發出一種3D打印方法，有望改變未來的電池制造方式。他們最近的研究闡述了如何開發出一種幾乎可以打印成任何形狀，且性能與傳統電池相當的電池組件。
這一突破的核心在于電池電解質，它負責在兩個電極之間傳輸帶電粒子。研究團隊通過使該組件可打印，相信未來的電池可以呈現全新的形狀，從而在可穿戴設備、醫療器械、航空航天及其他小型技術中發揮更大作用。
研究人員用可打印凝膠替代液態電解質
大多數可充電電池使用液態電解質，必須密封在硬殼中。這限制了電池的形狀，因為外殼決定了最終形態。液態電解質的泄漏也可能導致安全問題。
為解決這些問題，UTEP團隊制造了一種可打印的凝膠聚合物電解質。他們將光敏樹脂與鋰基液態電解質混合，并采用一種名為“光聚合”（vat photopolymerization）的3D打印工藝，通過光線逐層固化材料。
測試表明，打印出的電解質離子電導率可與傳統液態電解質媲美，最高可達3.4×10?3西門子/厘米。團隊還發現，樹脂與電解質1:4的配比可在可靠打印與強勁性能之間取得最佳平衡。
另一個關鍵發現是，這種材料可在常規實驗室條件下打印，無需密封或無氧環境。即使在開放空氣中打印，電解質依然表現良好，這使得未來制造過程更加簡便。
定制電池形狀或將變革產品設計
為展示該技術的靈活性，研究人員打印了多種不同結構，包括圓盤、開放的蜂窩網格以及一個0.4英寸（1厘米）的實心立方體。
這些示例表明，未來的電池可以根據產品形狀定制，而無需讓設備去適應標準電池組。電池甚至可能成為可穿戴設備、醫療植入物或空間緊湊的航空航天部件中的結構組成部分。
“多年來，電池的形狀一直支配著由它供電的設備的形狀，”該研究首席研究員、UTEP冶金、材料與生物醫學工程系教員Alexis Maurel博士表示。
“我們正在證明，你可以打印出形狀任意的高性能電解質電池組件，并幾乎可以將其放在你想要的任何地方。這將改變設計師能夠想象的一切。”
研究確定了影響性能的關鍵因素
團隊還考察了不同溶劑對打印過程及電池運行的影響。研究指出，此前的研究對可打印電池電解質在這方面的關注并不多。
其中一種混合物在反復測試中表現特別穩定，幫助團隊確定了未來最具潛力的組合。
“這項研究展示了先進制造與能源技術如何融合，為電池設計創造全新的可能性，”Miguel A. Loya工程學院院長Kenith Meissner博士說。
“通過開發一種可擴展的方法來3D打印幾乎任意形狀的電池電解質，Maurel及其合作者正助力將UTEP推至下一代儲能研究的前沿，同時為我們的學生提供對航空航天、交通和先進制造未來至關重要的技術的實踐經驗。”
研究人員下一步目標是構建完整電池
UTEP的研究人員與桑迪亞國家實驗室合作完成了這個項目。接下來，他們計劃改進電解質混合物，并使用打印材料構建完整的電池單元。
這項研究是Maurel關于3D打印電池更廣泛研究的一部分。如果獲得成功，該技術有望帶來新的電池設計，更好地滿足未來電子、交通和航空航天應用的需求，同時為工程師在產品設計上提供更大的自由度。
該研究發表于《通訊工程》期刊。
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