(Phys.org) — L'impression 3D peut désormais être utilisée pour imprimer des microbatteries lithium-ion de la taille d'un grain de sable. Les microbatteries imprimées pourraient fournir de l'électricité à de minuscules appareils dans des domaines allant de la médecine aux communications, y compris beaucoup qui se sont attardés sur les paillasses de laboratoire faute d'une batterie suffisamment petite pour s'adapter à l'appareil, fournissent tout de même suffisamment d'énergie stockée pour les alimenter.

Pour fabriquer les microbatteries, une équipe basée à l'Université Harvard et à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a imprimé des piles entrelacées avec précision de minuscules électrodes de batterie, chacun moins que la largeur d'un cheveu humain.

"Non seulement nous avons démontré pour la première fois que nous pouvons imprimer une batterie en 3D, nous l'avons démontré de la manière la plus rigoureuse, " a déclaré Jennifer Lewis, Doctorat., auteur principal de l'étude, qui est également le professeur Hansjörg Wyss de génie biologiquement inspiré à la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), et membre principal du corps professoral du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'Université Harvard. Lewis a dirigé le projet dans son poste précédent à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, en collaboration avec le co-auteur Shen Dillon, un professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux là-bas.

Les résultats seront publiés en ligne le 18 juin dans la revue Matériaux avancés .

Ces dernières années, les ingénieurs ont inventé de nombreux appareils miniaturisés, y compris les implants médicaux, des robots volants ressemblant à des insectes, et de minuscules caméras et microphones qui tiennent sur une paire de lunettes. Mais souvent, les batteries qui les alimentent sont aussi grosses ou plus grosses que les appareils eux-mêmes, ce qui va à l'encontre du but de construire petit.

Pour contourner ce problème, les fabricants ont traditionnellement déposé des films minces de matériaux solides pour construire les électrodes. Cependant, en raison de leur conception ultra-mince, ces micro-batteries à semi-conducteurs ne contiennent pas suffisamment d'énergie pour alimenter les appareils miniaturisés de demain.

Les scientifiques ont réalisé qu'ils pourraient emballer plus d'énergie s'ils pouvaient créer des piles de produits étroitement entrelacés, électrodes ultrafines qui ont été construites hors du plan. Pour cela, ils se sont tournés vers l'impression 3D. Les imprimantes 3D suivent les instructions des dessins informatiques en trois dimensions, déposer des couches successives de matière - des encres - pour construire un objet physique à partir de zéro, un peu comme empiler un jeu de cartes une à la fois. La technique est utilisée dans de nombreux domaines, de la production de couronnes dans les laboratoires dentaires au prototypage rapide de l'aérospatiale, automobile, et biens de consommation. Le groupe de Lewis a considérablement étendu les capacités de l'impression 3D. Ils ont conçu une large gamme d'encres fonctionnelles, des encres dotées de propriétés chimiques et électriques utiles. Et ils ont utilisé ces encres avec leurs imprimantes 3D sur mesure pour créer des structures précises avec l'électronique, optique, mécanique, ou les propriétés biologiquement pertinentes qu'ils veulent.

Pour imprimer des électrodes 3D, Le groupe de Lewis a d'abord créé et testé plusieurs encres spécialisées. Contrairement à l'encre d'une imprimante à jet d'encre de bureau, qui sort sous forme de gouttelettes de liquide qui mouillent la page, les encres développées pour l'impression 3D par extrusion doivent répondre à deux exigences difficiles. Ils doivent sortir des becs fins comme du dentifrice d'un tube, et ils doivent immédiatement durcir dans leur forme finale.

Dans cette vidéo, une buse d'imprimante 3D plus étroite qu'un cheveu humain dépose une "encre" spécialement formulée couche par couche pour construire l'anode d'une microbatterie à partir de zéro. Contrairement à l'encre d'une imprimante à jet d'encre de bureau, qui sort sous forme de gouttelettes de liquide et mouille un morceau de papier, ces encres d'imprimante 3D sont spécialement formulées pour sortir de la buse comme le dentifrice d'un tube, puis durcissent immédiatement en couches aussi étroites que celles produites par les procédés de fabrication de couches minces. En outre, les encres contiennent des nanoparticules d'un composé d'oxyde de lithium métallique qui confèrent à l'anode les propriétés électriques appropriées. Crédit :Teng-Sing Wei, Bok Yeop Ahn, Jennifer Lewis

Dans ce cas, les encres devaient également fonctionner comme des matériaux électrochimiquement actifs pour créer des anodes et des cathodes fonctionnelles, et ils devaient durcir en couches aussi étroites que celles produites par les méthodes de fabrication de couches minces. Pour atteindre ces objectifs, les chercheurs ont créé une encre pour l'anode avec des nanoparticules d'un composé d'oxyde de lithium métallique, et une encre pour la cathode à partir de nanoparticules d'une autre. L'imprimeur déposait les encres sur les dents de deux peignes en or, créant un empilement étroitement entrelacé d'anodes et de cathodes. Ensuite, les chercheurs ont emballé les électrodes dans un petit récipient et l'ont rempli d'une solution d'électrolyte pour compléter la batterie.

Prochain, ils ont mesuré la quantité d'énergie pouvant être contenue dans les minuscules batteries, quelle puissance ils pourraient fournir, et combien de temps ils ont détenu une charge. « Les performances électrochimiques sont comparables aux batteries commerciales en termes de taux de charge et de décharge, cycle de vie et densités énergétiques. Nous sommes juste en mesure d'y parvenir à une échelle beaucoup plus petite, " dit Dillon.

"Les conceptions innovantes d'encre pour microbatterie de Jennifer élargissent considérablement les utilisations pratiques de l'impression 3D, et ouvrir simultanément de toutes nouvelles possibilités de miniaturisation de tous types d'appareils, à la fois médical et non médical. C'est extrêmement excitant, " a déclaré le directeur fondateur de Wyss, Donald Ingber, MARYLAND., doctorat