یکی از فناوری‌‌های مهم قرن 21، باتریهای لیتیوم یون هستند. این باتری‌ها، امکان استفاده از گوشی‌های موبایل، خودروهای برقی، لپ‌تاپ‌ها، دستگاه‌های مرتبط با سلامت، ربات‌ها، سنسورهای از راه دور و موارد بسیار زیاد دیگری را برای ما فراهم می‌کنند. اوایل امسال نیز توسعه‌دهندگان این باتری‌ها، برنده جایزه نوبل شیمی شدند.
اما این‌روزها دانشمندان مواد، نیاز به باتریهای بهتری دارند که بتوانند در اینترنت اشیا و نسل جدید دستگاه‌های شخصی مورد استفاده قرار گیرند. باتریهای بهتر همچنین نقش مهمی را در ذخیره‌سازی انرژی‌های حاصل از منابع تجدیدپذیر مانند باد و خورشید بازی خواهند کرد.
عملکرد باتری نتیجه عوامل مختلفی است. چگالی انرژی، فاکتور بسیار مهمی در این رابطه است؛ برای اینکه به باتری اجازه خواهد داد تا شارژ خود را بدون هیچ‌گونه اتلافی نگه دارد. عامل مهم دیگر، قابلیت شارژ مجدد است که باعث خواهد شد تا باتری نه فقط یک‌بار بلکه ده‌ها هزار بار با ایمنی کامل شارژ شود.
دانشمندان الکتروشیمی به‌خوبی می‌دانند که برقراری تعادل بین این عوامل تا چه‌اندازه کار ظریفی است. به همین‌خاطر است که سازندگان باتری‌ها نسبت به اتخاذ رویکردهای جدید محتاط هستند و بهبودهای صورت‌گرفته معمولا جزئی و اندک هستند. اما سوال اینجاست که بهبودهای بزرگی که ما به آن‌ها نیاز داریم شامل چه مواردی می‌شوند؟
به‌گفته Vladimir Egorov، استاد دانشگاه کورک ایرلند، یکی از این ارتقاهای بزرگ در مورد باتری‌ها می‌تواند ساختن آن‌ها از طریق چاپ سه بعدی باشد. Egorov و همکارانش با بررسی تکنیک‌های مختلف چاپ سه‌بعدی باتری، به این نتیجه رسیدند که این فناوری امکان ساخت نسل جدیدی از باتریهای کوچک‌تر و کارآمدتر را فراهم خواهد ساخت.
در اینجا بد نیست اشاره کوتاهی به تاریخچه این تکنولوژی بکنیم. چاپ سه بعدی یک اصطلاح عمومی برای انواع مختلفی از تکنیک‌هایی است که اجازه می‌دهد تا اشیا سه‌بعدی از طریق اضافه کردن لایه‌به‌لایه مواد ساخته شوند. این فناوری همچنین می‌تواند روشی برای ساخت طراحی‌های اولیه جهت تست باشد. با در اختیار داشتن تعداد زیادی دستگاه چاپ می‌توان محصولاتی مانند قطعات خودرو، هواپیما و یا کفش را به‌صورت انبوه تولید کرد و حتی اگر طراحی جدیدی در دسترس باشد، بلافاصله می‌توان آن را با حداقل تغییرات در فضای کارخانه چاپ نمود.
از طرفی، دانشمندان مواد اخیرا شروع به تست روش‌هایی برای چاپ مدارهای الکترونیکی با استفاده از جوهرهای پلیمری کرده‌اند که نیاز به لحیم‌کاری را برای همیشه برطرف خواهند کرد. در این روش‌ها، بوردهای مدار می‌توانند به هر شکلی ساخته شوند و حتی بخشی از ساختار دستگاه را تشکیل دهند. اما محدودیت اصلی این روش‌ها آن است که مجبور به استفاده از باتریهای مرسوم با ابعاد و اندازه‌های مختلف هستند.
اما چاپ سه بعدی باتری می‌تواند این ضعف را برطرف کند. Egorov می‌گوید: اگر این باتریهای بتوانند به‌صورت سه بعدی چاپ شوند و برای اهداف زیباشناسی یا به‌خاطر کارکرد بهتر دستگاه‌ها، به‌طور کاملا بی‌نقص در طراحی آن‌ها ادغام شوند، در این‌صورت دیگر نیازی به استفاده از فرم فکتور ثابت باتریهای استاندارد برای طراحی محصولات نخواهد بود.
البته باید توجه داشت که اجرای این فناوری به‌مراتب سخت‌تر از صحبت کردن درباره آن است. مواد الکتریکی استفاده‌شده در باتری‌ها، ذاتا مواد واکنشی هستند و ساختارهایی مانند آندها و کاتدها به‌لحاظ فیزیکی بسیار پیچیده‌اند. بنابراین ساخت نسخه‌هایی از این مواد که برای چاپ سه بعدی مناسب باشند، کار بسیار دشواری خواهد بود. این مواد به‌محض چاپ باید ارتباطات الکتریکی بین خود را حفظ کنند و هرگونه واکنش شیمیایی را به‌شدت کنترل نمایند. این‌ها به خاطر آن است که مطمئن شویم باتری می‌تواند پروسه شارژ و دشارژ را در چرخه‌های زیادی انجام دهد.
موضوع بیسار مهم‌تر دیگر آن است که باتری‌ها باید ایمن باشند. همه باتری‌ها باید قبل از استفاده در منازل، خودروها، هواپیما و… استانداردهای ایمنی را گذرانده باشند. باتری‌هایی که نشتی دارند، می‌توانند باعث آسیب‌های جدی شوند. اما جدی‌ترین خطر مربوط به آتش گرفتن آن‌ها می‌شود. بنابراین ممکن است که معیارهای تست باتری‌ها تغییر کنند تا امکان ساخت طراحی‌های جدید وجود داشته باشد.
حتی اگر همه این مشکلات حل شوند، سوال دیگری که پیش می‌آید این است که آیا باتریهای سه‌بعدی کارآمدتر از طراحی‌های موجود خواهند بود؟ Egorov و همکارانش، با بررسی مواد، روش‌ها و چالش‌های پیش روی صنعت باتری برای چاپ باتری‌ها، به این نتیجه رسیدند که فناوری چاپ سه بعدی می‌تواند نقش مهمی در تولید باتریهای آینده ایفا کند. با این‌حال، آن‌ها یک چیز را در این رابطه فراموش کرده‌اند.
یکی از بزرگ‌ترین و مهم‌ترین چالش‌های صنعت باتری، ساخت محصولاتی است که قابل بازیافت باشند. باتریهای امروزی به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که نمی‌توان به‌راحتی آن‌ها را بازیافت کرد و بنابراین امکان استفاده مجدد از مواد ارزشمندی که در ساخت آن‌ها بکار رفته است، وجود ندارد. این مشکل در روزگاری که جوامع ما در حال گذار از سوخت‌های فسیلی به انرژی‌های تجدیدپذیر هستند دیگر قابل توجیه نیست. بنابراین به نظر می‌رسد که نیاز به تغییرات زیادی در این رابطه خواهد بود.
متخصصین معتقدند که باتری‌ها باید از همان ابتدا با ایده بازیافت طراحی شوند؛ اما این کار نیاز به یک بازنگری جدی در تفکرات سازندگان باتری خواهد داشت. با این‌حال، به نظر می‌رسد که انعطاف‌پذیری چاپ سه بعدی به‌راحتی خواهد توانست تحقق چنین هدفی را شتاب ببخشد.
