چاپ سه بعدی می‌تواند آینده طراحی باتری‌ها را تغییر دهد؟

پیشتازان فناوری‌های نوین همواره تلاش می‌کنند باتری‌های کوچک‌تر با طول عمر بیشتر و حتی باتری‌هایی بازیافتی طراحی و تولید کنند. یکی از فناوری‌‌هایی که شیوه‌ی زندگی در قرن بیست‌و‌یکم را دستخوش تغییرات بزرگی کرده، باتری‌های لیتیوم‌یونی هستند که در دستگا‌ه‌های مختلف ازجمله گوشی‌ هوشمند، لپ‌تاپ، خودرورهای خودران، گجت‌های مرتبط با بهداشت و سلامت، ربات‌ها و حسگرهای از راه دور و... استفاده می‌شوند. شاید جالب باشد بدانید اوایل سال جاری به سازندگان این نوع باتری‌ها جایزه‌ی نوبل شیمی اهدا شد.

درکنار همه‌ی این پیشرفت‌ها، محققان به باتری‌های با کیفیت بیشتر برای استفاده در فناوری‌های مبتنی‌بر اینترنت اشیاء و نسل جدید دستگاه‌های هوشمند نیاز دارند؛ باتری‌هایی که بتوانند به‌شکل مناسبی انرژی موردنیاز را ازطریق منابع انرژی تجدیدپذیر ازجمله باد و خورشید ذخیره‌سازی کنند.

عوامل مختلفی در عملکرد باتری تأثیرگذار هستند که در بین آن‌ها، چگالی انرژی و توانایی نگه‌داشتن شارژ بدون ازبین‌رفتن و قابلیت شارژ مجدد برای ده‌ها هزار بار با ایمنی زیاد بسیار مهم است.  متخصصان الکتروشیمی به‌خوبی به این موضوع مهم واقف هستند که رعایت تعادل بین عوامل مذکور کار بسیار ظریفی است؛ درنتیجه، عموما سازندگان باتری رویکردهای محتاطانه‌ای در پیش می‌گیرند تا مبادا با بهبود یکی از عوامل، تأثیری منفی روی دیگر جنبه‌ها ایجاد شود و درنهایت تأثیری سوء بر عملکرد باتری بگذارد. بنابراین، معمولا شاهد ارتقا و پیشرفت‌هایی جزئی در باتری‌ها هستیم تا احتمال نبود تعادل در سایر عوامل به‌حداقل برسد.

در این مطلب، قصد داریم تاریخچه‌ی چاپ سه‌بعدی را به‌طور مختصر مرور کنیم. چاپ سه‌بعدی اصطلاحی عمومی برای تکنیک‌های مختلفی است که اجازه می‌دهد لایه‌به‌لایه مواد در ساخت سه‌بعدی اضافه شوند. از این فناوری برای ساخت نمونه‌ی اولیه و آزمایشی می‌توان استفاده کرد و امکان جایگزینی قسمت‌های مختلف ساخته‌شده وجود ندارد. با استفاده‌ی هم‌زمان از چندین دستگاه چاپ سه‌بعدی، می‌توان محصولاتی ازجمله برخی قطعات خودرو و کفش و قطعات هواپیما را تولید کرد. وقتی طراحی جدیدی وجود داشته باشد، به‌سرعت می‌توان آن را چاپ کرد و این کار با حداقل فضای موردنیاز به‌عنوان کارخانه‌ی تولید ممکن است.

همچنین، دانشمندان مواد آزمایش‌هایی برای چاپ سه‌بعدی مدارهای الکترونیکی با استفاده از جوهرهای پلیمری و پلیمر نقره‌ای در پیش گرفته‌اند که دیگر به لحیم‌کاری نیز نیازی ندارند؛ درنتیجه با رویکرد جدید می‌توان مدارهای الکترونیکی را به شکل دلخواه طراحی و در دستگاه‌های مختلف با طراحی‌ها و ساختار مختلف استفاده کرد.

باوجوداین، یکی از محدودیت‌های مهم در طراحی چنین دستگاه‌هایی، باتری موردنیاز آن‌ها است. باتوجه‌به طراحی و ساختار متفاوت برخی دستگاه‌ها، نیاز به باتری در اندازه و شکل‌های خاص وجود دارد و چاپ سه‌بعدی می‌تواند در این حوزه انقلابی بزرگ ایجاد کند. ولادمیر اگورو و همکارانش معتقدند:

باتوجه‌به مسائل زیبایی‌شناسی در طراحی محصولات و حتی برخی مسائل مربوط به کارکرد بهتر دستگاه، گاهی لازم است باتری در دستگاه به‌صورت یکپارچه قرار داده شود. درنتیجه، نمی‌توان از فرم‌فکتور ثابت برای باتری استفاده کرد و در طراحی دستگاه، باید فرم فکتور باتری نیز تغییر کند.

تولید باتری با چاپ سه‌بعدی با مشکلات مختلفی روبه‌رو خواهد بود. هرگونه واکنش شیمیایی در تولید باتری باید به‌دقت بررسی شود و ارتباط بین اجزای داخلی باتری نیز بسیار مهم است. همه‌ی واکنش‌های شیمیایی باید زیر نظر قرار داشته باشند و تولید‌کنندگان مطمئن شوند چرخه‌ی شارژ و دشارژ باتری عملکرد خوبی از خود نشان می‌دهد.

از همه مهم‌تر، به ایمنی باتری باید به‌شدت توجه شود. تمامی باتری‌ها قبل از استفاده در منازل، وسایل نقلیه، هواپیما و... باید استانداردهای ایمنی را به‌دقت رعایت کنند؛ چراکه کوچک‌ترین مشکل در ایمنی باتری‌ها ممکن است به بروز خسارت‌های جبران‌ناپذیری منجر شود. جدی‌ترین خطر باتری‌ها آتش‌سوزی است و در تولید باتری به این موضوع باید بسیار توجه شود تا طراحی جدید خطرساز نباشد.

اگر فرض کنیم تمامی مشکلات مربوط به تولید باتری با فناوری چاپ سه‌بعدی برطرف شده است، سؤال بسیار مهم دیگری مطرح می‌شود: قدرت عملکرد باتری‌هایی که با فناوری چاپ سه‌بعدی تولید می‌شوند، چه تفاوتی با باتری‌های موجود بازار دارد؟

ولادمیر اگورو و همکارانش تمامی مباحث مربوط به طراحی و تولید باتری ازجمله مواد اولیه و روش‌ها و مشکلات پیش رو را بررسی کردند و درنهایت، به این نتیجه رسیدند که فناوری چاپ سه‌بعدی می‌تواند نقش مهمی در تولید باتری‌های جدید ایفا کند. یکی از بزرگ‌ترین و مهم‌ترین مشکلات صنعت تولید باتری، ساخت محصولاتی بازیافتی است. باتر‌ی‌های امروزی به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که نمی‌توان آن‌ها را به‌راحتی بازیافت کرد و از مواد ارزشمندی استفاده کرد که در تولید آن‌ها به‌کار برده شده است. درنتیجه، طراحی این باتری‌ نمی‌تواند نقشی در استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر بازی کند و لزوم نیاز به تغییری اساسی به‌شدت دیده می‌شود. طراحان و تولید‌کنندگان باتری به‌دنبال طراحی باتری‌هایی هستند که قابلیت بازیافت داشته باشند و انعطاف‌پذیری چاپ سه‌بعدی اجازه می‌دهد چنین هدفی محقق شود.