افزایش ظرفیت باتری خودروهای الکتریکی با استفاده از چاپ سه بعدی

به منظور افزایش شعاع حرکتی خودروی برقی، تحقیقات زیادی در حوزه باتری لیتیوم یون روی الکترودها متمرکز شده است. به عنوان اجزایی که جریان‌های الکتریکی را به داخل و خارج باتری انتقال می‌دهند، دانشمندان به طور مرتب آرایش و واکنش‌های شیمیایی آن‌ها را برای دستیابی به باتری‌های بهتر مورد مطالعه قرار می‌دهند. در میان آن‌ها محققان دانشگاه کارنگی ملون آمریکا نیز هستند که با استفاده از روش جدیدی، الکترودهای چاپ سه‌بعدی ساخته‌اند. دانشمندان دانشگاه کارنگی ملون این روش را "بسیار پیشرفته" عنوان می‌کنند.

جستجو برای الکترود باتری لیتیوم یون جدید و بهبودیافته، فرصت‌های امیدوارکننده‌ای را در اختیار دانشمندان گذاشته است. این فرصت‌ها شامل قرار دادن سیلیکون درون قفسه‌های گرافن، توسعه نانوسیم‌های کوچک و ایجاد مواد کاملا جدید، مانند سیلیکون ایکس (SiliconX) می‌شود.

فناوری چاپ سه‌بعدی به عنوان مسیری محتمل برای تولید الکترود باتری با معماری متخلخل ارائه شده است؛ این روش کانال‌های اضافی برای نفوذ الکترولیت فراهم می‌کند که به نوبه خود ظرفیت‌ شارژ بهتری برای باتری فراهم می‌آورد. در حال حاضر معماری بهینه برای این کانال‌ها به عنوان هندسه به هم پیوسته (متصل) شناخته می‌شود؛ اما آن‌طور که راهول پانات، دانشیار مهندسی مکانیک دانشگاه کارنگی ملون می‌گوید، این هندسه دارای محدودیت است.

راهول پانات گفت:

این هندسه "به‌ هم پیوسته"، در واقع متخلخل است و به الکترولیت اجازه می‌دهد که از کانال‌ها عبور کند. با این وجود، ساختار دوبعدی با چاپ اکستروژن به بعد سوم توسعه می‌یابد؛ ولی محدودیت‌هایی در چگونگی ساخت آن وجود دارد.

پانات و تیمی از مهندسان مکانیک کارنگی ملون، روش جدیدی برای چاپ سه‌بعدی الکترودها ارائه کرده‌اند، که این محدودیت را برطرف می‌کند و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا معماری‌های میکرولیتیک و با هر اندازه‌ای داشته باشند. این روش شامل تفکیک قطرات میکروسکوپی با اندازه مناسب و نیروهای اینرسی است و به محققان اجازه می‌دهد تا ساختار پیچیده سه‌بعدی ایجاد کنند.

پانات می‌گوید:

در این فرآیند از نانوذرات نقره برای چاپ سه‌بعدی استفاده می‌شود؛ این فرآیند بسیار سریع اتفاق می‌افتد و شبکه سه‌بعدی کاملی از نانوذرات در ساختار الکترود، آرایش می‌یابند. تاکنون از این مکانیزم برای تولید باتری استفاده نشده است و ما اولین کسانی هستیم که این روش را ابداع کرده‌ایم. در آینده نزدیک قصد داریم این اختراع را به صورت رسمی ثبت کنیم.

ساختارهای میکرولیتیک هنگام استفاده به عنوان الکترود در باتری‌ لیتیوم-یون، عملکرد خوبی به نمایش گذاشتند. این گروه آزمایش‌های متعددی در آزمایشگاه انجام دادند و دریافتند که در مقایسه با الکترودهای باتری استاندارد، الکترودهای چاپ سه‌بعدی دارای چهار برابر افزایش ظرفیت خاص (ظرفیت به میلی‌آمپرساعت در هر واحد جرم) و دو برابر افزایش ظرفیت (ظرفیت به میلی‌آمپرساعت در هر واحد سطح) هستند. این الکترودها همچنین پس از ۴۰ دوره تغییرات الکتروشیمیایی، ساختار خود را حفظ کردند.

پانات توضیح می‌دهد:

ما به دنبال آزمایش مواد مختلف برای الکترود و کشف روش‌های جدید برای افزایش تولید با سیستم چند-نازل هستیم. همچنین سرعت گرمایش را می‌توان افزایش داد تا زمان تبخیر برای میکرو-قطرات کاهش یابد و در نتیجه سرعت فرآیند به کمترین مقدار ممکن برسد. ما برای تامین مالی این پروژه در مراحل بعدی و تجاری‌سازی در آینده نزدیک، به حضور شرکای صنعتی و سرمایه‌گذاران نیاز داریم.