從月球和火星土壤中獲取原材料，UTEP開發(fā) 3D 打印可塑性電池新技術(shù)

2023年3月26日，南極熊獲悉，來自德克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校（UTEP）的研究人員正在開發(fā)一項3D打印電池新技術(shù)，該項目由美國國家航空航天局（NASA）提供資金，旨在利用月球和火星的雷石（覆蓋在月球和火星表面的高性能材料）制造可充電電池。

UTEP工程學(xué)院院長KenithMeissner博士說："UTEP在太空3D打印技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，我向參與這項重要工作的UTEP研究人員團(tuán)隊表示祝賀。我相信他們的工作將能夠為這個項目帶來巨大的價值，從而幫助我們重返月球或是登陸火星。"

UTEP被授予了61.5萬美元的項目款，這是NASA主導(dǎo)的250萬美元項目中的一部分，該項目成員包括揚(yáng)斯敦州立大學(xué)（YSU）、3D打印機(jī)制造商Formlabs和ICON。其中，ICON公司目前領(lǐng)導(dǎo)NASA的火星沙丘阿爾法項目，旨在3D打印火星上的未來棲息地。

據(jù)UTEP稱，該項目的長期目標(biāo)是通過減少有效載荷重量和固定體積，最大限度地提高宇航員在未來月球和火星任務(wù)中的可持續(xù)性。利用月球或火星上廣泛存在的當(dāng)?shù)刭Y源對于開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要，如居住模塊、發(fā)電和儲能設(shè)施。

UTEP工程學(xué)院的航空航天和機(jī)械工程教授兼副院長Eric MacDonald博士說："UTEP是美國國家航空航天局領(lǐng)導(dǎo)的這個項目的開創(chuàng)性合作伙伴，我們在增材制造方面有著豐富的經(jīng)驗。UTEP在3D打印、材料科學(xué)方面的聲譽(yù)，以及我們最先進(jìn)的設(shè)施，是說服我們的NASA合作伙伴進(jìn)行這項潛在的變革性研究的重要因素，我們開展該項不僅是為了太空探索，也為了擴(kuò)大電池的地面應(yīng)用。"

美國化學(xué)學(xué)會的同行評審期刊《ACS Energy Letters》在1月份發(fā)表了一篇題為 "月球和火星上的電池制造會是什么樣子？"的文章，詳細(xì)介紹了UTEP和NASA研究人員在這個項目上已經(jīng)取得的進(jìn)展。發(fā)表的論文強(qiáng)調(diào)了兩種類型的3D打印工藝--材料擠壓（ME）和大桶光聚合（VPP）--以在月球和火星上生產(chǎn)可塑形的電池。

相關(guān)論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.2c02743

可塑型電池是復(fù)雜的三維電池設(shè)計，由于其能夠填充物體的尺寸，因此優(yōu)于現(xiàn)有的商業(yè)電池。這種量身定做的電池特別適合應(yīng)用于小型航天器、便攜式電源設(shè)備、機(jī)器人以及月球和火星棲息地任務(wù)的大規(guī)模電源系統(tǒng)。

表示使用月球和火星 ISRU 作為材料原料提取和制造可充電電池以支持長期人類任務(wù)的插圖。這幅原創(chuàng)藝術(shù)作品是根據(jù)參考文獻(xiàn)構(gòu)思、創(chuàng)作和改編的，由 A. Maurel、P. Garcia設(shè)計。來源：美國宇航局

這項工作的另一個潛在成果是開發(fā)可在地球上使用的可塑形電池。這些電池可以嵌入到3D打印的混凝土墻中，并與太陽能發(fā)電相連接，以創(chuàng)造緊湊的、可自我維持能源供應(yīng)的房屋，用于應(yīng)對災(zāi)害，以及在發(fā)展中國家。

(a) 相關(guān)負(fù)極材料的理論重量或體積容量值。(b) 生產(chǎn) 1 Ah 負(fù)極材料所需的月球原料量。

雖然商業(yè)鋰離子電池可以在今天的大多數(shù)應(yīng)用中找到，但從月球和火星土壤中制造鋰離子電池并不是一個可行的選擇，因為月球上很少有鋰。在這個項目中，UTEP的研究小組目前將工作重點放在鈉離子電池化學(xué)上，基于月球豐富的鈉資源。

經(jīng)典電池和 3D 打印電池制造步驟。（*在用陶瓷電解質(zhì)一次性多材料3D打印全固態(tài)電池后，可能會增加一個額外的熱后處理步驟，通過去除聚合物基體來提高電化學(xué)性能。必須避免這個額外的步驟如果使用固體聚合物電解質(zhì)。）

UTEP航空航天和機(jī)械工程系的法國富布賴特學(xué)者Alexis Maurel博士說："與NASA的這個項目是一個展示UTEP在能源儲存和3D打印方面的專業(yè)知識的機(jī)會。增材制造似乎是一種獨特的方法，可以制造可塑形的電池，以支持人類在太空和月球或火星表面的行動，因為那里的貨物補(bǔ)給不是那么容易獲得。"

除了MacDonald和Maurel之外，UTEP團(tuán)隊還包括Ana C. Martinez博士，UTEP航空航天和機(jī)械工程系的博士后研究員，以及SreeprasadSreenivasan博士，化學(xué)和生物化學(xué)系的助理教授。

在項目的初始階段，美國宇航局、UTEP和揚(yáng)州大學(xué)將確定并致力于從月球和火星的巖石中提取電池材料和前體。UTEP/YSU團(tuán)隊已經(jīng)為鈉離子電池的每個部分（即電極、電解液、集電體）開發(fā)了和VPP3D打印復(fù)合樹脂原料。美國宇航局馬歇爾太空飛行中心和艾姆斯研究中心的團(tuán)隊為不同的電池部件開發(fā)和ME 3D打印復(fù)合油墨。UTEP和NASA的格倫研究中心正在對完成的3D打印鈉離子電池組件進(jìn)行電化學(xué)測試。