افزايش ظرفيت باتري خودروهاي الكتريكي با استفاده از چاپ سه بعدي

به منظور افزايش شعاع حركتي خودروي برقي، تحقيقات زيادي در حوزه باتري ليتيوم يون روي الكترودها متمركز شده است. به عنوان اجزايي كه جريان‌هاي الكتريكي را به داخل و خارج باتري انتقال مي‌دهند، دانشمندان به طور مرتب آرايش و واكنش‌هاي شيميايي آن‌ها را براي دستيابي به باتري‌هاي بهتر مورد مطالعه قرار مي‌دهند. در ميان آن‌ها محققان دانشگاه كارنگي ملون آمريكا نيز هستند كه با استفاده از روش جديدي، الكترودهاي چاپ سه‌بعدي ساخته‌اند. دانشمندان دانشگاه كارنگي ملون اين روش را "بسيار پيشرفته" عنوان مي‌كنند.

جستجو براي الكترود باتري ليتيوم يون جديد و بهبوديافته، فرصت‌هاي اميدواركننده‌اي را در اختيار دانشمندان گذاشته است. اين فرصت‌ها شامل قرار دادن سيليكون درون قفسه‌هاي گرافن، توسعه نانوسيم‌هاي كوچك و ايجاد مواد كاملا جديد، مانند سيليكون ايكس (SiliconX) مي‌شود.

فناوري چاپ سه‌بعدي به عنوان مسيري محتمل براي توليد الكترود باتري با معماري متخلخل ارائه شده است؛ اين روش كانال‌هاي اضافي براي نفوذ الكتروليت فراهم مي‌كند كه به نوبه خود ظرفيت‌ شارژ بهتري براي باتري فراهم مي‌آورد. در حال حاضر معماري بهينه براي اين كانال‌ها به عنوان هندسه به هم پيوسته (متصل) شناخته مي‌شود؛ اما آن‌طور كه راهول پانات، دانشيار مهندسي مكانيك دانشگاه كارنگي ملون مي‌گويد، اين هندسه داراي محدوديت است.

راهول پانات گفت:

اين هندسه "به‌ هم پيوسته"، در واقع متخلخل است و به الكتروليت اجازه مي‌دهد كه از كانال‌ها عبور كند. با اين وجود، ساختار دوبعدي با چاپ اكستروژن به بعد سوم توسعه مي‌يابد؛ ولي محدوديت‌هايي در چگونگي ساخت آن وجود دارد.

پانات و تيمي از مهندسان مكانيك كارنگي ملون، روش جديدي براي چاپ سه‌بعدي الكترودها ارائه كرده‌اند، كه اين محدوديت را برطرف مي‌كند و به آن‌ها اجازه مي‌دهد تا معماري‌هاي ميكروليتيك و با هر اندازه‌اي داشته باشند. اين روش شامل تفكيك قطرات ميكروسكوپي با اندازه مناسب و نيروهاي اينرسي است و به محققان اجازه مي‌دهد تا ساختار پيچيده سه‌بعدي ايجاد كنند.

پانات مي‌گويد:

در اين فرآيند از نانوذرات نقره براي چاپ سه‌بعدي استفاده مي‌شود؛ اين فرآيند بسيار سريع اتفاق مي‌افتد و شبكه سه‌بعدي كاملي از نانوذرات در ساختار الكترود، آرايش مي‌يابند. تاكنون از اين مكانيزم براي توليد باتري استفاده نشده است و ما اولين كساني هستيم كه اين روش را ابداع كرده‌ايم. در آينده نزديك قصد داريم اين اختراع را به صورت رسمي ثبت كنيم.

ساختارهاي ميكروليتيك هنگام استفاده به عنوان الكترود در باتري‌ ليتيوم-يون، عملكرد خوبي به نمايش گذاشتند. اين گروه آزمايش‌هاي متعددي در آزمايشگاه انجام دادند و دريافتند كه در مقايسه با الكترودهاي باتري استاندارد، الكترودهاي چاپ سه‌بعدي داراي چهار برابر افزايش ظرفيت خاص (ظرفيت به ميلي‌آمپرساعت در هر واحد جرم) و دو برابر افزايش ظرفيت (ظرفيت به ميلي‌آمپرساعت در هر واحد سطح) هستند. اين الكترودها همچنين پس از ۴۰ دوره تغييرات الكتروشيميايي، ساختار خود را حفظ كردند.

پانات توضيح مي‌دهد:

ما به دنبال آزمايش مواد مختلف براي الكترود و كشف روش‌هاي جديد براي افزايش توليد با سيستم چند-نازل هستيم. همچنين سرعت گرمايش را مي‌توان افزايش داد تا زمان تبخير براي ميكرو-قطرات كاهش يابد و در نتيجه سرعت فرآيند به كمترين مقدار ممكن برسد. ما براي تامين مالي اين پروژه در مراحل بعدي و تجاري‌سازي در آينده نزديك، به حضور شركاي صنعتي و سرمايه‌گذاران نياز داريم.