Badania

Bateria, którą można wydrukować w dowolnym kształcie i rozmiarze

Opublikowano: 2019-07-09

forum akademickie
Źródło: www.pwr.edu.pl

Mniejsze, wydajniejsze i bardziej uniwersalne – takie będą nowe baterie i superkondensatory projektowane przez naukowców z Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki. Powstają one z wykorzystaniem technologii druku 3D.

Na Politechnice Wrocławskiej zrodził się pomysł stworzenia miniaturowej celi elektrochemicznej do gromadzenia energii.

– Chodzi o baterie i superkondensatory, tyle że bardzo małe i wykonane w zupełnie inny sposób niż te tradycyjne, które są dostępne na rynku – mówi dr inż. Karolina Laszczyk, autorka projektu. Realizuje go wspólnie z doktorantem Bartoszem Kawą oraz studentami: Piotrem Śliwińskim i Bartłomiejem Kozakiewiczem w Zakładzie Mikroinżynierii i Fotowoltaiki.

– Obecnie produkcja baterii wygląda tak, że najpierw robi się jej zawartość, czyli to, co odpowiada za gromadzenie i przewodzenie energii. Następnie opracowuje się do tego obudowę. My odwróciliśmy ten proces, najpierw drukujemy w technologii 3D dowolnego kształtu obudowę, a następnie wtłaczamy do niej zawartość, tj. materiały na elektrody i elektrolit. Finalnie chcemy nawet wszystko zrobić za jednym razem – wyjaśnia dr Laszczyk.

Naukowcy wykorzystują fakt, że technologia druku 3D bardzo dynamicznie się rozwija.

– Teraz możemy drukować w różnorodnych materiałach, takich jak tworzywa termoplastyczne, ceramika, metale czy hydrożele – tłumaczy Kawa. Dodaje, że dzięki ich koncepcji opartej na druku 3D, który jest znany i coraz bardziej powszechny, zaproponowane przez nich rozwiązanie będzie miało bardzo szerokie zastosowanie w przemyśle.

– Będziemy mogli zaprojektować baterię w dowolnym kształcie, dowolnie ją umiejscowić, np. jako element obudowy jakiegoś urządzenia i potem w całości, czyli obudowę i zawartość, wydrukować w jednym procesie technologicznym. Co więcej, wydajność takiej baterii czy kondensatora będzie bardzo wysoka – mówi Kawa.

Naukowcy wyjaśniają, że superkondensatory bardzo szybko się ładują i rozładowują podobnie jak kondensatory elektrolityczne, ale pozwalają przy tym gromadzić więcej energii. Z kolei baterie dostarczają bardzo dużo energii, ale wolno się ładują i rozładowują. Rozwiązaniem pośrednim są superkondensatory, które mają większą energię niż komercyjne kondensatory i szybciej można je naładować.

– Standardowy superkondensator czy bateria ma budowę „kanapkową”. Składa się z kilku warstw, m.in. kolektora, którego zadaniem jest przewodzić prąd, i materiału gromadzącego ładunki oraz separatora. My do tego celu używamy nanorurek węglowych – wyjaśnia dr Karolina Laszczyk, która przez kilka lat pracowała m.in. w Centrum Zastosowań Nanorurek Węglowych w Państwowym Instytucie Zaawansowanej Nauki i Technologii Przemysłowej w Japonii (AIST).

– Aby nie było zwarcia, między warstwy trzeba włożyć separator (np. z celulozy) i wszystko wypełnia się elektrolitem, czyli cieczą przewodzącą – wyjaśnia dalej dr Laszczyk. Dodaje, że separator pozwala jonom, które znajdują się w elektrolicie przemieszczać się pomiędzy elektrodami.

– Gdy podłączymy napięcie, wytwarzamy pole elektryczne między elektrodami i jony dodatnie zaczynają się kierować do elektrody ujemnej, a ujemne do dodatniej. W nanorurkach zaczynają się gromadzić ładunki, rozładowując je, dostarczamy energię do urządzenia – tłumaczy Bartosz Kawa. Żeby zwiększyć moc baterii, roluje się całą zawartość i „upycha” w odpowiednie opakowanie.

– Proponujemy zupełnie inne podejście. Najpierw robimy opakowanie w technologii 3D, które jest puste w środku, następnie podłączmy doprowadzenia, czyli małe rurki i wpompujmy odpowiednio materiały, które kształtujemy w elektrody, a także wprowadzamy elektrolit. Jest to odwrócenie całego procesu. Pomysł wydaje się bardzo prosty, ale teraz sprawdzamy, jak go zrealizować w odpowiednio małej skali – tłumaczy dr Karolina Laszczyk.

Badacze opracowują sposób wprowadzenia zawiesiny do obudowy metodą mikrofluidyczną.

– Chodzi o maleńkie objętości płynów rzędu mikrolitrów lub mniej, które kanałami i przy wykorzystaniu różnego typu urządzeń w mikroskali, tj. zaworów, pompek, mieszadełek itp., będą w kontrolowany sposób wprowadzane do obudowy, a następnie utwardzane, tak jak w przypadku elektrod. Na razie pracujemy nad strukturami prostymi w większej skali. Zostały one już zmierzone i działają prawie idealnie. Pozostaje kwestia przeniesienia do mniejszego rozmiaru – mówi dr Laszczyk.

Naukowcy podkreślają, że od początku chcieli, aby ich wynalazek znalazł zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. Dlatego zdecydowali się na rozwiązania stwarzające perspektywy rozwoju projektu.

– Do wydrukowanego opakowania celi będzie można wprowadzić dowolny materiał. Producent będzie mógł zamiast nanorurek węglowych, wpompować jakiś inny produkt. Będzie też mógł dopasować rozmiar baterii. Dzięki mikrofluidyce osiągniemy naprawdę małe rozmiary celi, struktury w skali mikro.

Naukowcy zaprezentowali swój projekt na 12. Międzynarodowych Targach Wynalazków i Innowacji INTARG 2019. Ich wynalazek został nagrodzony złotym medalem.

– To dla nas duża szansa na promocję naszych badań. Chcieliśmy skonfrontować się z oceną profesjonalnego jury i konstruktywną krytyką. W laboratoriach realizujemy różne naukowe pomysły i potrzebujemy, żeby grono specjalistów zweryfikowało, czy nasza koncepcja ma sens, czy idziemy w dobrym kierunku – uważa dr Leszczyk.

Dodaje, że dużą pomoc w przygotowaniach do targów zespół otrzymał z Wrocławskiego Centrum Transferu Technologii.

– My się znamy na kwestiach naukowych, a oni za to doskonale wiedzą, jak naszymi pomysłami zainteresować partnerów przemysłowych – kończy.

Źródło: www.pwr.edu.pl


PARTNERZY

forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie