Las baterías impresas en 3D se comprimen hasta en un 60%. Crédito ACS Nano
Si bien las tecnologías electrónicas flexibles y extensibles han progresado a pasos agigantados en los últimos 10 años, las baterías para alimentarlos tienen que ponerse al día. Investigadores en Singapur y China han demostrado ahora una batería de "estado cuasi-sólido", hecha de materiales en algún lugar entre un líquido y un sólido, que se puede comprimir hasta en un 60% mientras mantiene una alta densidad de energía y una buena estabilidad por encima de 10, 000 ciclos de carga-recarga. La fabricación de la batería aprovecha la impresión 3-D, cuales, mientras atrae el interés por producir estructuras de baterías complejas, ha planteado desafíos para las baterías que se pueden estirar, aplastar y doblar mientras enciende los dispositivos.
"La tecnología de impresión 3D es un área en rápido desarrollo, "dice Hui Ying Yang, un investigador de ciencia de materiales en la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur que dirigió la investigación informada en ACS Nano . Ella explica que esto la impulsó a ella y a sus colegas a aplicar la tecnología a su investigación de baterías para la creación rápida de prototipos. permitiéndoles "producir electrodos de batería con cualquier forma arbitraria, capas y patrones ".
La trama se complica
Las escamas de óxido de grafeno (GO) en soluciones acuosas han sido un material de "tinta" popular, ya que producen dispersiones estables y sus propiedades reológicas (cómo fluyen y se deforman) se pueden ajustar hasta cierto punto. Sin embargo, aditivos como iones de calcio, Se necesitan nanotubos de carbono y nanofibras de celulosa para obtener un aerogel GO con el tipo de viscosidad con la que puede trabajar una impresora 3D. La investigación en esta dirección ha llevado a estructuras ultraligeras impresas en 3D de GO reducido (es decir, tratado para eliminar el oxígeno para que el material sea más parecido al grafeno) con gran conductividad y compresibilidad. Pero las estructuras de nanocarbono por sí solas no almacenan energía electroquímica, y la adición de aditivos electroquímicamente activos a la tinta de impresión para hacer una batería conduce a problemas con las propiedades reológicas de la tinta.
En lugar de, Yang y sus colegas imprimieron su aerogel de nanocarbono y luego depositaron nanomateriales electroquímicamente activos a base de hierro y níquel en la estructura impresa. Para lograr la viscosidad deseada de la tinta de impresión, mezclaron escamas de GO con nanotubos de carbono (CNT). Luego sumergieron las estructuras de celosía impresas en una mezcla de amoníaco y sulfatos, incluido el sulfato de níquel, que condujo a la formación de Ni (OH) 2 nanoflakes en la estructura. Cuando trataron la red de nanocarbono con nitrato de hierro y cloruro de hierro, αFe poroso 2 O 3 En cambio, las matrices de nanovarillas crecieron en la superficie de la celosía.
Actuando en un apretón
Las baterías de estado cuasi-sólido de níquel-hierro ya han atraído interés debido a una serie de atributos deseables, incluido el bajo costo, alta ciclabilidad y buena estabilidad mecánica. Yang y sus colaboradores estudiaron el desempeño reológico y electroquímico del Ni (OH) 2 y αFe 2 O 3 estructuras de nanocarbono cargadas, ajustar las dimensiones de la estructura y usar hidróxido de potasio líquido acuoso o gel de polímero como electrolito. Pudieron demostrar una batería que podía comprimirse en un 60% y conservar una excelente estabilidad cíclica (~ 91,3% de retención de capacidad después de 10, 000 ciclos de carga-descarga) y densidad de energía ultra alta (28,1 mWh cm -3 a una potencia de 10,6 mW cm -3 ). Al conectar cuatro dispositivos en serie, mostraron que los dispositivos podían encender un LED azul.
"Nuestra estrategia sintética no solo proporciona un método eficaz para la fabricación de baterías comprimibles mediante impresión 3D, sino también promover aplicaciones futuras para dispositivos electrónicos flexibles / portátiles tolerantes al estrés, ", dice Yang. Sin embargo, aunque la impresión de la batería es fácilmente escalable, la densidad de energía no compite actualmente con los dispositivos comerciales (no comprimibles). "Próximo, Estudiaremos más a fondo las baterías recargables acuosas impresas en 3D con alta densidad de energía y plataformas de alta descarga, como las baterías de Zn-aire, etcétera, "dice Yang.
Este trabajo de investigación está fuertemente respaldado por el Centro de Diseño y Fabricación Digital de SUTD.
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