前沿科技之3D打印機(jī)制造出沙粒大小微電池

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據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)6月18日報道，美國哈佛大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)厄巴納—尚佩恩分校研究人員合作，開發(fā)出一種3D打印的鋰離子微電池，只有一粒沙子大小，而電化性能可媲美商用蓄電池。微電池可以為醫(yī)療、通訊等領(lǐng)域的微型設(shè)備，包括許多尚在實(shí)驗(yàn)室里、缺乏小電池的發(fā)明提供足夠電力。相關(guān)論文在線發(fā)表于《先進(jìn)材料》雜志上。

近些年來，工程師們發(fā)明了許多微型設(shè)備，如醫(yī)用移植假體、飛行昆蟲機(jī)器人、與目鏡匹配的微型攝像機(jī)和麥克等。但給它們供電的電池往往比設(shè)備本身還要大，違背了設(shè)備微型化的初衷。如果用傳統(tǒng)的沉積薄膜法來制作電極，由于超薄設(shè)計，這些固態(tài)微電池儲存的電量很少，很難為設(shè)備提供足夠電力。如果能制造一種緊密交錯的、由多層平面堆疊而成的超薄電極，將能存儲更多電量。

該項(xiàng)目由哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院漢斯約格·威斯仿生工程研究所教授詹尼弗·劉易斯領(lǐng)導(dǎo)。研究小組設(shè)計了一系列功能“墨水”，具有各種化學(xué)和電學(xué)性能。用這些墨水加上他們特制的3D打印機(jī)，能打印出具有電學(xué)、光學(xué)、化學(xué)或生物學(xué)相關(guān)性質(zhì)的精密結(jié)構(gòu)，從而大大拓寬了3D打印的應(yīng)用范圍。

為了打印微電極，他們開發(fā)并測試了幾種特殊的“墨水”，能像電化材料那樣，形成工作陽極和陰極，而且能像牙膏一樣擠出，打印完成后硬化成像薄膜一樣的薄層。他們用一種金屬鋰氧化物納米粒子制造了陽極墨水，用另一種材料制造了陰極墨水，形成一種微小的、陽極和陰極緊密交錯的多層堆疊結(jié)構(gòu)，每層厚度比發(fā)絲還細(xì)。之后，把這些電極裝在微小容器中，充入電解液就完成了。

研究人員還對微電池存儲和釋放的電量、充電時間進(jìn)行了檢測。“在充放電率、循環(huán)壽命和電流強(qiáng)度方面，它們的電化性能可以和商用蓄電池媲美。我們只是把它縮小到了更小級別。”論文合著者、伊利諾伊大學(xué)材料科學(xué)與工程副教授辛·狄倫說。

威斯研究所主任唐納德·因格貝爾說：“詹尼弗小組改革了微電池墨水的設(shè)計，極大拓寬了3D打印的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，同時也為縮小各種設(shè)備帶來了新的可能。”

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