آیا چاپ سه‌بعدی، باتری‌های آینده را متحول می‌کند؟

باتری‌ یون لیتیوم از مهم‌ترین فناوری‌های قرن بیست‌ویکم است. گوشی‌های همراه، خودروهای برقی، لپ‌تاپ‌ها، تجهیزات مراقبت پزشکی، روبات‌ها، حسگرهای راه دور و سایر تجهیزات امروزی با باتری‌ یون لیتیوم کار می‌کنند. لذا شاید عجیب نبود که نوبل شیمی 2019 به سازندگان باتری یون لیتیوم اهدا شد. دانشمندان علم مواد برای اینترنت اشیاء، نسل بعدی تجهیزات شخصی و بسیاری موارد دیگر به باتری‌های بهتری نیاز دارند؛ باتری‌هایی که باید در ذخیره انرژی‌های تجدیدپذیر اما ناپیوسته‌ بادی و خورشیدی نقش عمده‌ای ایفا کنند. عملکرد باتری به شاخص‌های مختلفی بستگی دارد که چگالی انرژی و نگهداری شارژ بدون نشتی از مهم‌ترین‌ آن‌هاست. شارژپذیری، نه برای یک‌بار بلکه برای هزارها یا ده‌ها هزار بار و همچنین ایمنی، شاخص‌های مهم بعدی هستند.

الکتروشیمی‌دان‌ها اهمیت ایجاد تعادل بین این شاخص‌ها را خوب می‌دانند. در نتیجه باتری‌سازها روش‌های جدیدی را می‌آزمایند تا حتا یکی از شاخص‌های فوق‌الذکر مغفول نماند. با این حال، پیشرفت‌های این حوزه معمولا اندک است. پس بهبودهای چشمگیر مورد نیاز از کجا باید حاصل شود؟

شاید پاسخ این پرسش را بتوان در اظهارات ولادیمیر ایگوروف و همکارانش از دانشگاه کورک ایرلند یافت. آن‌ها می‌گویند، باتری‌های آینده با چاپ سه‌بعدی تولید خواهند شد. آن‌ها شیوه‌های جدید چاپ سه‌بعدی باتری را بررسی کرده و اظهار داشته‌اند که بدین‌سان می‌توان نسل جدیدی از تجهیزات کوچک‌تر و کارآمدتر تولید کرد.

شکل 1. این تصویر، ارتباط بین مواد مختلف به کار رفته در چاپ سه‌بعدی ذخیره‌سازها یا به‌عبارتی باتری‌های الکتروشیمیایی انرژی (EESD)، کاربردهای آن و نیز شیوه‌های چاپ سه‌بعدی را نشان می‌دهد که معمولا برای تولید اجزای مختلف ذخیره‌سازها به کار می‌رود. 

دایره‌های سمت راست نشان‌دهنده شیوه‌های چاپ سه‌بعدی است که از بالا به پایین عبارتند از: Material Extrusion و Material Jetting و Vat Photo-polymerization. ریزی یا درشتی نقاط درون هر دایره، به قطر منافذ اشاره دارد و اندازه هر دایره، ضخامت هر لایه در هر یک از شیوه‌های چاپ را مشخص می‌کند. خطوط رابط (با رنگ‌های متفاوت) نشان‌دهنده مواد واکنش‌گر، گونه‌های مواد، کاربردها و شیوه‌های چاپ هستند. نقاط اتصال، به چندین ماده یا ترکیب اشاره دارند که به یک یا چند جزء ترکیب‌شونده در یک یا چند شیوه چاپ سه‌بعدی قابل اعمال است.  

مروری بر فناوری چاپ سه‌بعدی

چاپ سه‌بعدی عبارتی کلی برای اشاره به تکنیک‌های مختلفی است که اجازه می‌دهد با افزودن لایه‌به‌لایه مواد، اشیای سه‌بعدی ساخته شود. امروزه برای ساخت طرح‌های پیش‌نمونه‌ آزمایشی و نیز عضوهای مصنوعی بدن و حتا کل یک ساختمان می‌توان از چاپ سه‌بعدی استفاده کرد. علاوه بر این، با استفاده هم‌زمان از چند دستگاه‌ چاپ سه‌بعدی می‌توان در مقیاس انبوه اشیایی مانند قطعات خودرو، قطعات هواپیما و کفش تولید کرد. زمانی هم که طرح جدیدی ارائه می‌شود، می‌توان سریعا و با کمترین تغییر در پیکربندی فضای کارخانه طرح مذکور را سه‌بعدی چاپ کرد.   

چاپ سه‌بعدی باتری

دانشمندان مواد، بررسی راه‌های چاپ سه‌بعدی مدارهای الکترونیکی را آغاز کرده‌اند که در آن برای ایجاد گذرگاه‌های الکترونیکی بین اجزای مدار از جوهر پلیمر و پلیمر نقره استفاده می‌شود تا دیگر به لحیم‌کاری نیازی نباشد. بدین‌سان می‌توان بوردهای مدار را به‌‌شکل‌های مختلفی ساخت. با این حال، یکی از محدودیت‌های بزرگ، لزوم یک‌پارچه‌سازی باتری‌های متداول ]با خود دستگاه[ است. باتری‌هایی که شکل و اندازه مشخصی دارند. ظاهرا چاپ سه‌بعدی باتری‌ها وضع را تغییر خواهد داد. ایگوروف و همکارانش می‌گویند، اگر باتری به‌خاطر راحتی یا عملکرد و نیز زیبایی‌شناسی،‌ یک‌پارچه با خود محصول چاپ شود، ]طوری که گویی جزئی از محصول است[ دیگر لازم نیست محصول در مرحله طراحی، با باتری‌هایی که زمخت‌ هستند و شکل و اندازه ثابتی دارند، وفق داده شود.

البته گفتن این حرف آسان‌تر از انجامش است. مواد الکترواکتیو مورداستفاده در باتری‌ها ذاتا واکنش‌گر هستند و اجزایی مانند آندها و کاتدها ساختار فیزیکی پیچیده‌ای دارند. آن‌ها اغلب باید مانند کریستال‌ها ترتیب‌بندی و گاهی مانند اسفنج‌های مولکولی، منفذدار شوند و همواره به‌درستی مشخصه‌یابی شیمیایی شوند.

ساخت گونه‌های مختلف موادی که برای چاپ سه‌بعدی مناسب هستند، کار چالش‌برانگیزی است، خواه با چاپ جامد باشد یا با چاپ مایع یا با بسپارش (پلیمریزاسیون) مایع. این مواد هنگام چاپ سه‌بعدی باید اتصالات برقی داخلی‌شان را حفظ و همه واکنش‌های شیمیایی بین اجزا را به‌دقت کنترل کنند و اطمینان دهند که باتری‌ها می‌توانند طی چرخه‌های متعدد پر و خالی شوند.

مهم‌تر از همه این‌که باتری‌ها باید امن باشند. همه باتری‌ها پیش از آن‌که در خانه‌ها، وسایل نقلیه، هواپیماها و... به کار گرفته شوند، باید استانداردهای امنیتی را احراز کنند. باتری‌هایی که نشتی دارند ممکن است خسارات هنگفتی به بار آورند. جدی‌ترین خطر آتش‌سوزی است. شاید لازم شود معیارهای آزمایش ]محصول[ تغییر یابد تا طرح‌های جدید که پیوسته در حال تغییرند، مجال تولید پیدا کنند.  حتا اگر بر همه این چالش‌ها غلبه شود، هنوز پرسش دیگری مطرح است. آیا باتری‌های چاپ شده به‌شیوه سه‌بعدی، از باتری‌های فعلی کارآمدتر خواهند بود؟ ایگوروف و همکارانش برای چاپ سه‌بعدی باتری‌های آینده، درباره مواد، روش‌ها و چالش‌های پیش روی صنعت باتری‌ دید جامعی ارائه داده‌اند، اما در طرح باتری‌های آینده موضوع مهمی همچنان مغفول مانده و آن، بازیافت‌پذیری باتری‌ها است؛ حال آن‌که چاپ سه‌بعدی در این حوزه می‌تواند نقش مهمی بازی کند.   

یکی از بزرگ‌ترین و مهم‌ترین چالش‌ها برای صنعت باتری‌سازی تولید محصولات بازیافت‌پذیر است. طراحی باتری‌های امروزی به‌آسانی تجزیه نمی‌شوند و لذا استفاده مجدد از مواد ارزشمند به‌کار رفته در آن‌ها تقریبا ناممکن است. این غفلت، برازنده فناوری‌ای نیست که می‌خواهد در دوره گذار جامعه از سوخت‌های فسیلی به انرژی‌های تجدیدپذیر نقش محوری ایفا کند.

پس تغییر ضروری است. اندیشه فعلی این است که باتری‌ها باید از نو طوری طراحی شوند که قابل بازیافت باشند. این موضوع، مستلزم طرز فکری کاملا جدید از طراحان باتری است. ایگوروف و همکارانش این مسئله را نادیده گرفته‌اند (عبارت تجدیدپذیری در مقاله1 آن‌ها به چشم نمی‌خورد)، اما باقی صنعت باتری نمی‌تواند چنین کند.   

پی‌نوشت:

مقاله Evolution of 3D Printing Methods and Materials for Electrochemical Energy Storage؛ نویسندگان: Vladimir Egorov و همکاران