(Phys.org) —La impresión 3D ahora se puede utilizar para imprimir microbaterías de iones de litio del tamaño de un grano de arena. Las microbaterías impresas podrían suministrar electricidad a pequeños dispositivos en campos que van desde la medicina hasta las comunicaciones, incluidos muchos que se han quedado en bancos de laboratorio por falta de una batería lo suficientemente pequeña como para adaptarse al dispositivo, sin embargo, proporciona suficiente energía almacenada para alimentarlos.

Para hacer las microbaterías, un equipo de la Universidad de Harvard y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign imprimió pilas entrelazadas con precisión de diminutos electrodos de batería, cada uno menos que el ancho de un cabello humano.

"No solo demostramos por primera vez que podemos imprimir una batería en 3D, lo demostramos de la manera más rigurosa, "dijo Jennifer Lewis, Doctor., autor principal del estudio, quien también es el profesor Hansjörg Wyss de ingeniería de inspiración biológica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard (SEAS), y miembro de la facultad principal del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard. Lewis dirigió el proyecto en su puesto anterior en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, en colaboración con el coautor Shen Dillon, un profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales allí.

Los resultados se publicarán en línea el 18 de junio en la revista Materiales avanzados .

En los últimos años, los ingenieros han inventado muchos dispositivos miniaturizados, incluidos los implantes médicos, robots voladores parecidos a insectos, y diminutas cámaras y micrófonos que caben en un par de anteojos. Pero a menudo las baterías que las alimentan son tan grandes o más grandes que los propios dispositivos, lo que frustra el propósito de construir pequeños.

Para solucionar este problema, Los fabricantes tradicionalmente han depositado películas delgadas de materiales sólidos para construir los electrodos. Sin embargo, debido a su diseño ultradelgado, estas microbaterías de estado sólido no contienen suficiente energía para alimentar los dispositivos miniaturizados del mañana.

Los científicos se dieron cuenta de que podrían acumular más energía si pudieran crear pilas de electrodos ultrafinos que se construyeron fuera del plano. Para ello recurrieron a la impresión 3D. Las impresoras 3D siguen las instrucciones de dibujos tridimensionales por computadora, depositar capas sucesivas de material (tintas) para construir un objeto físico desde cero, muy parecido a apilar una baraja de cartas de una en una. La técnica se utiliza en una variedad de campos, desde la producción de coronas en laboratorios dentales hasta la creación rápida de prototipos de la industria aeroespacial, automotor, y bienes de consumo. El grupo de Lewis ha ampliado enormemente las capacidades de impresión 3D. Han diseñado una amplia gama de tintas funcionales, tintas con propiedades químicas y eléctricas útiles. Y han utilizado esas tintas con sus impresoras 3D personalizadas para crear estructuras precisas con la electrónica, óptico, mecánico, o propiedades biológicamente relevantes que deseen.

Para imprimir electrodos 3D, El grupo de Lewis creó y probó por primera vez varias tintas especializadas. A diferencia de la tinta de una impresora de inyección de tinta de oficina, que sale como gotitas de líquido que mojan la página, Las tintas desarrolladas para la impresión 3D basada en extrusión deben cumplir dos requisitos difíciles. Deben salir de boquillas finas como pasta de dientes de un tubo, y deben endurecerse inmediatamente en su forma final.

En este video, una boquilla de impresora 3D más estrecha que un cabello humano deposita una "tinta" especialmente formulada capa por capa para construir el ánodo de una microbatería desde cero. A diferencia de la tinta en una impresora de inyección de tinta de oficina, que sale como gotitas de líquido y moja un trozo de papel, Estas tintas para impresoras 3D están especialmente formuladas para salir de la boquilla como la pasta de dientes de un tubo, luego se endurece inmediatamente en capas tan estrechas como las producidas por métodos de fabricación de película delgada. Además, las tintas contienen nanopartículas de un compuesto de óxido de metal de litio que le dan al ánodo las propiedades eléctricas adecuadas. Crédito:Teng-Sing Wei, Bok Yeop Ahn, Jennifer Lewis

En este caso, las tintas también tenían que funcionar como materiales electroquímicamente activos para crear ánodos y cátodos de trabajo, y tuvieron que endurecerse en capas que son tan estrechas como las producidas por métodos de fabricación de película delgada. Para lograr estos objetivos, los investigadores crearon una tinta para el ánodo con nanopartículas de un compuesto de óxido de metal de litio, y una tinta para el cátodo a partir de nanopartículas de otra. El impresor depositó las tintas sobre los dientes de dos peines de oro, creando una pila de ánodos y cátodos estrechamente entrelazados. Luego, los investigadores empaquetaron los electrodos en un recipiente diminuto y lo llenaron con una solución de electrolitos para completar la batería.

Próximo, midieron cuánta energía se podía almacenar en las pequeñas baterías, cuánto poder podrían entregar, y cuánto tiempo estuvieron a cargo. "El rendimiento electroquímico es comparable al de las baterías comerciales en términos de tasa de carga y descarga, ciclo de vida y densidades de energía. Solo podemos lograr esto en una escala mucho más pequeña, "Dijo Dillon.

"Los innovadores diseños de tinta de microbatería de Jennifer amplían drásticamente los usos prácticos de la impresión 3D, y simultáneamente abren posibilidades completamente nuevas para la miniaturización de todo tipo de dispositivos, tanto médicos como no médicos. Es tremendamente emocionante "dijo el director fundador de Wyss, Donald Ingber, MARYLAND., Doctor.