Pour la première fois, les chercheurs ont imprimé avec succès un bien qu'expérimental, batterie lithium-ion comprenant un électrolyte à l'état solide. Alors que les électrodes ont déjà été produites à l'aide de la technologie d'impression 3D, des chercheurs de l'Université de l'Illinois au Chicago College of Engineering ont imprimé une version stable, mais flexible, électrolyte à l'état solide utilisant une technique d'impression par extrusion à température élevée. Ils rapportent leurs découvertes dans le journal Matériaux avancés .

Les batteries lithium-ion sont couramment utilisées dans l'électronique domestique et portable, et dans certains véhicules à moteur. Ils fonctionnent par le mouvement des ions lithium de l'électrode négative à travers un électrolyte, qui peut être liquide ou solide, à l'électrode positive pendant la décharge, puis de nouveau pendant la phase de charge.

La production en série de ces batteries est un processus laborieux et coûteux. Les électrodes et l'électrolyte, qui sont fabriqués séparément, doivent être rassemblés et placés à l'intérieur d'un boîtier. Un environnement contrôlé est nécessaire pour éviter la contamination et de nombreux revêtements et modifications sont nécessaires pour compléter la batterie. Avec une production conventionnelle, les tailles de batterie ne peuvent pas être facilement modifiées, les batteries individuelles ne peuvent pas non plus être modifiées pour s'adapter à des appareils spécifiques, car cela nécessiterait que les machines utilisées pour produire les batteries soient réinitialisées selon de nouvelles spécifications.

L'impression 3D permet la production et la personnalisation de batteries beaucoup plus rapidement et à moindre coût car toutes les pièces sont imprimées ensemble en même temps. Dans les batteries lithium-ion dont les électrodes ont été imprimées en 3D, l'électrolyte produit de manière conventionnelle a toujours été ajouté ensuite dans une étape séparée.

Dans la production conventionnelle d'électrolytes à l'état solide, les boîtiers de batterie doivent être préparés avec divers revêtements et solvants utilisés dans la production de l'électrolyte qui doit ensuite être évaporé lors d'une étape de post-production. Si un électrolyte est imprimé directement dans une batterie imprimée en 3D, l'évaporation entraînerait le rétrécissement de l'électrolyte et son éloignement des électrodes. Cela pourrait provoquer un court-circuit de la batterie. Les revêtements utilisés pour assurer un bon contact de l'électrolyte avec les boîtiers et les électrodes sont également extrêmement difficiles à incorporer dans une batterie imprimée en 3D.

Pour contourner ces problèmes, Reza Shahbazian-Yassar, professeur agrégé, et Yayue Pan, professeur assistant de génie mécanique et industriel à la faculté d'ingénierie de l'UIC, avec des collègues, ils ont conçu une imprimante 3D unique qui fonctionne à une température élevée. Il extrude les matériaux à environ 120 degrés Celsius par rapport à l'impression 3D par extrusion traditionnelle, qui se déroule à température ambiante. Leur encre à électrolyte solide est constituée d'une base polymère contenant des particules d'oxyde de titane qui lui permettent d'être flexible, ainsi que fonctionnel. L'encre électrolytique unique peut être directement déposée dans la batterie lors de son impression.

"La température élevée empêche le retrait post-production, " a déclaré Meng Cheng, un étudiant diplômé de l'UIC College of Engineering et auteur principal de l'étude. "Notre technique améliore considérablement l'efficacité de la préparation de l'électrolyte et son incorporation dans la batterie."

Les batteries expérimentales imprimées en 3D de Shahbazian-Yassar avaient une capacité de charge/décharge plus élevée et de meilleures performances que les batteries où l'électrolyte était fabriqué à l'aide de méthodes traditionnelles. "L'écriture directe à température élevée et nos encres spécialisées sont la preuve de concept que les batteries lithium-ion imprimées en 3D sont possibles, " dit Reza.