一项新的3D打印技术可让工程师将高性能电池直接集成到可穿戴设备、医疗器械和航空航天部件中。
得克萨斯大学埃尔帕索分校（UTEP）的研究人员开发出一种3D打印方法，有望改变未来的电池制造方式。他们最近的研究阐述了如何开发出一种几乎可以打印成任何形状，且性能与传统电池相当的电池组件。
这一突破的核心在于电池电解质，它负责在两个电极之间传输带电粒子。研究团队通过使该组件可打印，相信未来的电池可以呈现全新的形状，从而在可穿戴设备、医疗器械、航空航天及其他小型技术中发挥更大作用。
研究人员用可打印凝胶替代液态电解质
大多数可充电电池使用液态电解质，必须密封在硬壳中。这限制了电池的形状，因为外壳决定了最终形态。液态电解质的泄漏也可能导致安全问题。
为解决这些问题，UTEP团队制造了一种可打印的凝胶聚合物电解质。他们将光敏树脂与锂基液态电解质混合，并采用一种名为“光聚合”（vat photopolymerization）的3D打印工艺，通过光线逐层固化材料。
测试表明，打印出的电解质离子电导率可与传统液态电解质媲美，最高可达3.4×10⁻³西门子/厘米。团队还发现，树脂与电解质1:4的配比可在可靠打印与强劲性能之间取得最佳平衡。
另一个关键发现是，这种材料可在常规实验室条件下打印，无需密封或无氧环境。即使在开放空气中打印，电解质依然表现良好，这使得未来制造过程更加简便。
定制电池形状或将变革产品设计
为展示该技术的灵活性，研究人员打印了多种不同结构，包括圆盘、开放的蜂窝网格以及一个0.4英寸（1厘米）的实心立方体。
这些示例表明，未来的电池可以根据产品形状定制，而无需让设备去适应标准电池组。电池甚至可能成为可穿戴设备、医疗植入物或空间紧凑的航空航天部件中的结构组成部分。
“多年来，电池的形状一直支配着由它供电的设备的形状，”该研究首席研究员、UTEP冶金、材料与生物医学工程系教员Alexis Maurel博士表示。
“我们正在证明，你可以打印出形状任意的高性能电解质电池组件，并几乎可以将其放在你想要的任何地方。这将改变设计师能够想象的一切。”
研究确定了影响性能的关键因素
团队还考察了不同溶剂对打印过程及电池运行的影响。研究指出，此前的研究对可打印电池电解质在这方面的关注并不多。
其中一种混合物在反复测试中表现特别稳定，帮助团队确定了未来最具潜力的组合。
“这项研究展示了先进制造与能源技术如何融合，为电池设计创造全新的可能性，”Miguel A. Loya工程学院院长Kenith Meissner博士说。
“通过开发一种可扩展的方法来3D打印几乎任意形状的电池电解质，Maurel及其合作者正助力将UTEP推至下一代储能研究的前沿，同时为我们的学生提供对航空航天、交通和先进制造未来至关重要的技术的实践经验。”
研究人员下一步目标是构建完整电池
UTEP的研究人员与桑迪亚国家实验室合作完成了这个项目。接下来，他们计划改进电解质混合物，并使用打印材料构建完整的电池单元。
这项研究是Maurel关于3D打印电池更广泛研究的一部分。如果获得成功，该技术有望带来新的电池设计，更好地满足未来电子、交通和航空航天应用的需求，同时为工程师在产品设计上提供更大的自由度。
该研究发表于《通讯工程》期刊。
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