美研究人员利用3D打印机制造出沙粒大小微电池

美国哈佛大学和伊利诺伊大学厄巴纳—尚佩恩分校研究人员合作，开发出一种3D打印的锂离子微电池，只有一粒沙子大小，而电化性能可媲美商用蓄电池。微电池可以为医疗、通讯等领域的微型设备，包括许多尚在实验室里、缺乏小电池的发明提供足够电力。

近些年来，工程师们发明了许多微型设备，如医用移植假体、飞行昆虫机器人、与目镜匹配的微型摄像机和麦克等。但给它们供电的电池往往比设备本身还要大，违背了设备微型化的初衷。如果用传统的沉积薄膜法来制作电极，由于超薄设计，这些固态微电池储存的电量很少，很难为设备提供足够电力。如果能制造一种紧密交错的、由多层平面堆叠而成的超薄电极，将能存储更多电量。

该项目由哈佛大学工程与应用科学学院汉斯约格·威斯仿生工程研究所教授詹尼弗·刘易斯领导。研究小组设计了一系列功能“墨水”，具有各种化学和电学性能。用这些墨水加上他们特制的3D打印机，能打印出具有电学、光学、化学或生物学相关性质的精密结构，从而大大拓宽了3D打印的应用范围。

为了打印微电极，他们开发并测试了几种特殊的“墨水”，能像电化材料那样，形成工作阳极和阴极，而且能像牙膏一样挤出，打印完成后硬化成像薄膜一样的薄层。他们用一种金属锂氧化物纳米粒子制造了阳极墨水，用另一种材料制造了阴极墨水，形成一种微小的、阳极和阴极紧密交错的多层堆叠结构，每层厚度比发丝还细。之后，把这些电极装在微小容器中，充入电解液就完成了。

研究人员还对微电池存储和释放的电量、充电时间进行了检测。“在充放电率、循环寿命和电流强度方面，它们的电化性能可以和商用蓄电池媲美。我们只是把它缩小到了更小级别。”论文合著者、伊利诺伊大学材料科学与工程副教授辛·狄伦说。

威斯研究所主任唐纳德·因格贝尔说：“詹尼弗小组改革了微电池墨水的设计，极大拓宽了3D打印的实际应用领域，同时也为缩小各种设备带来了新的可能。”