Стартап под названием Material Hybrid Manufacturing пытается использовать «геометрию», а не химические формулы, чтобы провести следующий этап революции в области аккумуляторов. Компания была основана в 2023 году Гейбом Элиасом, инженером, ранее работавшим в командах Mercedes-AMG F1 и Rivian. Компания разработала процесс 3D-печати, который может напрямую «печатать» целые аккумуляторные системы на различных изогнутых поверхностях и конструкциях, что, как ожидается, позволит преодолеть ограничения традиционных квадратных и цилиндрических аккумуляторных элементов при проектировании устройств.
Ранее в этом году компания Material получила контракт на сумму 1,25 миллиона долларов от ВВС США, чтобы продемонстрировать осуществимость этой технологии 3D-печати аккумуляторов для оборонного и аэрокосмического оборудования в течение 18 месяцев, сосредоточив внимание на демонстрации того, как «деформируемые батареи», которые могут сгибаться и прилегать к конструкционным поверхностям, могут открыть свободу дизайна. На этом развивающемся пути компания конкурирует с такими конкурентами, как Sakuú из Кремниевой долины и немецкая Blackstone Technology, чтобы воспользоваться возможностью коммерциализации печатных батарей, особенно ориентируясь на сценарии небольших систем, где «форма определяет функцию».
Запатентованная платформа Material, Hybrid3D, позволяет печатать все ключевые компоненты батареи — анод, катод, сепаратор и корпус — слой за слоем — без необходимости использования форм или традиционных инструментов. Система сочетает в себе принципы струйной печати с прямой записью и моделирования наплавлением для последовательного нанесения активных материалов толщиной слоя от 100 до 150 микрон, а затем впрыскивания жидкого электролита для завершения ядра батареи. В настоящее время компания также разрабатывает твердотельную версию в качестве следующего продукта.
В отличие от традиционных производственных моделей, в которых используются металлические корпуса, шины и массивные жгуты проводов, этот метод печати позволяет «незаметно» интегрировать батарею в существующую конструкцию. Ожидается, что на дронах батареи будут распределены по крыльям или рукам; на носимых устройствах батареи могут быть изогнуты и расположены вдоль оправы умных очков, а не представлять собой аккумуляторный модуль фиксированной формы. В интервью IEEE Spectrum Элиас сказал, что процесс Hybrid3D может адаптироваться практически к любой геометрической форме, оставаясь при этом гибким в химической системе батареи. Он может переключаться между NMC 811, NMC 111, литий-железо-фосфатом (LFP), титанатом лития и другими системами путем изменения входных материалов и параметров программного обеспечения.
Команда основателей Material изначально сосредоточилась на автомобильной промышленности, надеясь создать аккумуляторные блоки индивидуальной формы для электромобилей. Но вскоре они обнаружили, что общее пространство электромобилей относительно велико. Например, аккумуляторная батарея пикапа Rivian мощностью 135 кВтч может вместить более 7700 цилиндрических элементов, поэтому предельные выгоды от оптимизации формы ограничены. Напротив, небольшие дроны, индивидуальное снаряжение солдат и бытовая электроника нового поколения сталкиваются с более жесткими ограничениями по пространству, а батареи часто становятся «пассивными адаптерами». Как сказал Элиас, различные электронные компоненты постоянно внедряются, интегрируются и оптимизируются, но батарея — единственная часть уравнения, которая не развивалась одновременно.
Чтобы перейти от концепции к проверке концепции, Material заключила партнерское соглашение с производителем дронов Performance Drone Works (PDW), чтобы модернизировать один из своих дронов батареями. Занимая тот же объем, что и исходный 48-элементный аккумуляторный блок, аккумулятор, напечатанный Material, обеспечил увеличение плотности энергии на 50% и увеличение использования внутреннего пространства на 35%. Согласно расчетам команды, ожидается, что это повышение эффективности приведет к удвоению дальности полета или значительному увеличению грузоподъемности при сохранении той же дальности полета. Если технология будет развиваться дальше, батарею можно будет напрямую «вписать» в конструкцию кузова или даже в кожух двигателя, что принципиально отменит аккумуляторный модуль в традиционном понимании.
В военных сценариях потенциальная ценность этой технологии особенно очевидна: более легкие и эргономичные индивидуальные системы электропитания, а также прямая интеграция источников питания в шлемы для обеспечения поддержки высокопроизводительного оптического оборудования и систем связи. Элиас вспоминал, что, работая в Mercedes-AMG, он пытался расположить аккумуляторные элементы вокруг сиденья водителя Формулы-1, чтобы оптимизировать аэродинамику и распределение веса, но в конечном итоге от него отказались, поскольку механическая сложность была слишком высокой. Этот опыт также способствовал развитию более поздней идеи аддитивного производства «сделать батарею частью конструкции».
По его мнению, это неизбежный путь к продолжению концепции «ячеек, напрямую связанных с аккумуляторными блоками» — от превращения ячеек в модули, непосредственно в аккумуляторные блоки, а теперь и к дальнейшему превращению накопителей энергии в структурные подсистемы, а не в независимые компоненты. Первое печатное устройство коммерческого класса Material имеет платформу размером 550×350 мм, и компания уже разрабатывает принтеры большего формата для поддержки формования более крупных компонентов. Это также означает, что производственная модель может претерпеть фундаментальные изменения: в будущем некоторые продукты смогут напрямую переходить от моделей САПР к физическим объектам без необходимости дорогостоящих модификаций производственных линий и инвестиций в пресс-формы.
Элиас отметил, что традиционные гиганты бытовой электроники также изучают аккумуляторные решения, которые могут вписаться в структуру. Например, Apple использовала большое количество аккумуляторов L-образной и специальной формы в iPhone с помощью традиционных процессов, чтобы освободить больше места внутри корпуса. Он считает, что если аналогичные или даже более сложные геометрические формы можно будет реализовать с помощью печати, ожидается, что не только стоимость значительно снизится, но и увеличится масштабируемость, что будет иметь решающее значение для носимых устройств, таких как умные очки, которые в будущем хотят учитывать как внешний вид, так и время автономной работы.
Чтобы эта концепция была действительно реализована, компании Material все еще необходимо продолжать совершенствовать стабильность процесса, особенно реологические свойства материала и контроль толщины слоя. Он должен поддерживать высокую степень консистенции в масштабе, близком к ширине человеческого волоса, чтобы обеспечить постоянство выхода и производительности. Тем не менее, перспективы привлекательны с экономической точки зрения: ожидается, что после того, как батареи, напечатанные на 3D-принтере, будут готовы, они будут охватывать широкий ценовой диапазон: от отдельных элементов до аккумуляторных блоков емкостью в несколько киловатт-часов, при этом текущие рыночные цены на последние варьируются примерно от 400 до 3000 долларов за киловатт-час.
Ожидается, что за счет сокращения количества деталей и упрощения процесса сборки печатные батареи принесут более высокую прибыль в сложных приложениях, таких как аэрокосмическая и оборонная промышленность, которые особенно чувствительны к форме и весу, поскольку в этих областях структурная интеграция и гибкость часто более важны, чем чистая стоимость единицы продукции. Что касается Material, то, если Hybrid3D в конечном итоге окажется осуществимым, форма батареи больше не будет ограничивать дизайн, а станет частью самого проекта.