طراحی باتری‌ لیتیوم-یونی در شکل و اندازه‌ دلخواه با فرآیند چاپ سه بعدی

باتری‌های لیتیوم یونی در خودروهای الکتریکی و اغلب دستگاه‌های الکترونیکی مانند گوشی‌های هوشمند، لپتاپ و تبلت مورد استفاده قرار می‌گیرند. تولیدکنندگان محصولات الکترونیکی مجبور هستند با توجه به ابعاد باتری‌ها، دستگاه مورد نظر خود را طراحی کنند.

در اصل یکی از موضوعاتی که در طراحی ظاهری تجهیزات و دستگاه‌های الکترونیکی اهمیت دارد، اندازه و شکل باتری‌ مورد استفاده در محصول است. محققان موفق شده‌اند با کمک روش جدیدی، باتری‌های لیتیوم-یونی را با فناوری چاپ سه‌‌بعدی تولید کنند. باتری‌های لیتیوم-یونی که با فرآیند تولید چاپ سه‌بعدی تولید می‌شوند، براساس نیاز مصرف‌کننده‌ی باتری می‌توانند با هر شکل ظاهری و در هر اندازه‌ای به‌صورت سفارشی‌شده تولید شوند.

براساس آخرین گزارش منتشرشده در ACS Applied Energy Materials، محققان موفق به طراحی و ساخت باتری‌های لیتیوم-یونی قابل چاپ با فرآیند چاپ سه‌بعدی شدند. چنین فرآیندی برای تولید باتری، به تولید کنندگان کمک می‌کند باتری مورد نظر خود را به هر شکل و اندازه‌ای که مد نظرشان است تولید کنند و در اختیار داشته باشند. 

اکثر باتری‌های لیتیوم-یونی بازار به شکل استوانه‌ای یا مستطیل شکل طراحی و تولید می‌شوند. بنابراین، زمانی که تولیدکننده‌ی محصولات الکترونیکی قصد طراحی محصولی همچون گوشی‌های هوشمند یا گجت‌های پوشیدنی را دارد، لاجرم مجبور است در طراحی نهایی محصول خود شکل ظاهری و ابعاد باتری را در نظر بگیرد. در بسیاری از مواقع، محدودیت موجود در مورد شکل ظاهری و ابعاد باتری، محدودیت‌های بسیاری را برای طراحان لوازم الکترونیکی ایجاد می‌کند. 

کریستوفر رایز، بنجامین ویلی و همکارانش موفق به تولید باتری لیتیوم-یونی با پرینتر سه‌بعدی شدند. آن‌ها در نظر داشتند با پلیمرهای مورد استفاده در فرآیند چاپ سه‌بعدی، باتری با قیمت مقرون به‌صرفه تولید کنند. محققان، برای افزایش خاصیت رسانایی PLA، روش‌هایی را در پیش گرفتند. 

در روش‌های سنتی تولید باتری‌های لیتیوم‌- یونی، الکترولیت و دو الکترود (کاتد و آند) به‌صورت جداگانه تولید می‌‌شوند و سپس در یک پوشش در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند تا باتری کامل را شکل بدهند. اما فرآیند تولید باتری‌های لیتیوم-یونی با چاپ سه‌بعدی فرآیند تولید متفاوتی دارد و الکترلیت و دو الکترود کاتد و آند همزمان تولید می‌شوند. 

از نظر تئوری، پلیمرهای مورد استفاده در چاپ سه‌بعدی همانند PLA رسانایی بالایی ندارند. به‌همین منظور محققان برای افزایش خاصیت رسانایی، PLA را در محلول الکترولیتی غوطه‌ور کردند و از ترکیب‌هایی نانوکربن‌ و گرافین نیز در دیواره‌های آندو کاتد استفاده کردند. در نهایت محققان موفق به ساخت باتری شبیه دستبند شدند که می‌توانست دور مچ دست بسته شود و به مدت ۶۰ ثانیه LED را روشن نگه دارد. 

با توجه به تحقیقات محققان، ظرفیت نسل اول باتری‌هایی که با فرآیند چاپ سه‌بعدی تولید می‌شوند پایین‌تر از ظرفیت مورد نیاز برای باتری‌های تجاری بوده که در عمل مورد نیاز است. با این وجود، محققان معتقد هستند که ایده‌هایی برای افزایش ظرفیت باتری‌های مبتنی بر چاپ سه‌بعدی دارند که می‌تواند مشکل ظرفیت باتری را حل کند.

درنظر داشته باشید که تحقیق صورت‌گرفته از سوی محققان، در قدم‌های اولیه‌ی خودش قرار دارد و هم‌اکنون تنها توانسته است یک دستبند LED را به مدت ۶۰ ثانیه روشن نگه دارد. اما به‌نظر می‌رسد که در آینده‌ی نزدیک شاهد پیشرفت‌های خوبی در صنعت تولید باتری‌های لیتیوم-یونی باشیم.