تحاول شركة ناشئة تسمى Material Hybrid Manufacturing استخدام "الهندسة" بدلاً من الصيغ الكيميائية لدفع الجولة التالية من ثورة البطاريات. تأسست الشركة في عام 2023 على يد غابي إلياس، وهو مهندس عمل سابقًا في فريق Mercedes-AMG F1 وRivian. لقد طورت عملية طباعة ثلاثية الأبعاد يمكنها "طباعة" أنظمة البطاريات الكاملة مباشرة على الأسطح والهياكل المنحنية المختلفة، والتي من المتوقع أن تكسر قيود خلايا البطارية التقليدية المربعة والأسطوانية على تصميم الجهاز.
في وقت سابق من هذا العام، حصلت شركة Material على عقد بقيمة 1.25 مليون دولار من القوات الجوية الأمريكية لإثبات جدوى تقنية البطاريات المطبوعة ثلاثية الأبعاد لأجهزة الدفاع والفضاء في غضون 18 شهرًا، مع التركيز على إظهار كيف يمكن للبطاريات القابلة للتشوه والتي يمكن أن تنحني وتتوافق مع الأسطح الهيكلية أن تفتح حرية التصميم. وفي هذا المسار الناشئ، تتنافس الشركة مع منافسين مثل شركة ساكو في وادي السيليكون وشركة بلاكستون للتكنولوجيا الألمانية لاغتنام الفرصة لتسويق البطاريات المطبوعة، وخاصة استهداف سيناريوهات الأنظمة الصغيرة حيث "الشكل يحدد الوظيفة".
النظام الأساسي الخاص بشركة Material، Hybrid3D، قادر على طباعة جميع المكونات الرئيسية للبطارية - الأنود والكاثود والفاصل والغلاف - طبقة تلو الأخرى - دون الحاجة إلى قوالب أو أدوات تقليدية. يجمع النظام بين مبادئ الطباعة النافثة للحبر بالكتابة المباشرة ونمذجة الترسيب المنصهر لترسيب المواد النشطة بشكل تسلسلي بسماكة طبقة تتراوح من 100 إلى 150 ميكرون، ثم حقن الإلكتروليت السائل لإكمال قلب البطارية. وتقوم الشركة حاليًا أيضًا بتطوير إصدار الحالة الصلبة كنموذج منتج للمتابعة.
على عكس نماذج التصنيع التقليدية التي تعتمد على الأغلفة المعدنية، وقضبان التوصيل، وأحزمة الأسلاك الضخمة، يمكن لطريقة الطباعة هذه دمج البطارية "بشكل غير مرئي" في الهيكل الحالي. في الطائرات بدون طيار، من المتوقع أن يتم توزيع البطاريات على طول الأجنحة أو الأذرع؛ وفي الأجهزة القابلة للارتداء، يمكن تقويس البطاريات ونشرها على طول إطارات النظارات الذكية، بدلاً من أن تكون وحدة بطارية ذات شكل ثابت. وفي مقابلة مع IEEE Spectrum، قال إلياس أن عملية Hybrid3D يمكن أن تتكيف مع أي شكل هندسي تقريبًا، مع الحفاظ على مرونتها في النظام الكيميائي للبطارية. يمكنه التبديل بين NMC 811 وNMC 111 وفوسفات حديد الليثيوم (LFP) وتيتات الليثيوم والأنظمة الأخرى عن طريق تغيير مواد الإدخال ومعلمات البرامج.
ركز الفريق المؤسس لشركة Material في البداية على صناعة السيارات، على أمل إنشاء مجموعات بطاريات ذات شكل مخصص للسيارات الكهربائية. لكنهم سرعان ما اكتشفوا أن المساحة المخصصة لتخطيط المركبات الكهربائية بأكملها واسعة نسبيًا. على سبيل المثال، يمكن لحزمة بطارية شاحنة صغيرة Rivian بقدرة 135 كيلووات في الساعة أن تستوعب أكثر من 7700 خلية أسطوانية، وبالتالي فإن الفوائد الهامشية لتحسين الشكل محدودة. في المقابل، تواجه الطائرات الصغيرة بدون طيار، ومعدات الجنود الفردية، والجيل الجديد من المعدات الإلكترونية الاستهلاكية قيودًا فضائية أكثر صرامة، وغالبًا ما تصبح البطاريات "محولات سلبية". وكما قال إلياس، فإن المكونات الإلكترونية المختلفة يتم دمجها وتكاملها وتحسينها باستمرار، ولكن البطارية هي الجزء الوحيد من المعادلة الذي لم يتطور في وقت واحد.
للانتقال من المفهوم إلى إثبات المفهوم، دخلت شركة Material في شراكة مع الشركة المصنعة للطائرات بدون طيار Performance Drone Works (PDW) لتحديث إحدى طائراتها بدون طيار بالبطاريات. وبينما تشغل نفس حجم البطارية الأصلية المكونة من 48 خلية، حققت البطارية المطبوعة بواسطة Material زيادة بنسبة 50% في كثافة الطاقة وزيادة بنسبة 35% في استخدام المساحة الداخلية. ووفقاً لحسابات الفريق، من المتوقع أن يُترجم هذا التحسن في الكفاءة إلى مضاعفة مسافة الرحلة، أو زيادة كبيرة في سعة الحمولة مع الحفاظ على نفس النطاق. إذا تم توسيع التكنولوجيا بشكل أكبر، فقد يتم "كتابة" البطارية مباشرة في هيكل الجسم أو حتى غلاف المحرك، مما يؤدي بشكل أساسي إلى إلغاء وحدة البطارية بالمعنى التقليدي.
في السيناريوهات العسكرية، تكون القيمة المحتملة لهذه التكنولوجيا واضحة بشكل خاص: أنظمة إمداد طاقة فردية أخف وزنًا وأكثر راحة، والدمج المباشر لإمدادات الطاقة في الخوذات لتوفير الدعم للمعدات البصرية وأنظمة الاتصالات عالية الأداء. يتذكر إلياس أنه عندما كان يعمل في مرسيدس-AMG، حاول ترتيب خلايا البطارية حول مقعد سائق الفورمولا 1 لتحسين الديناميكيات الهوائية وتوزيع الوزن، ولكن تم تأجيله في النهاية لأن التعقيد الميكانيكي كان مرتفعًا للغاية. وساهمت هذه التجربة أيضًا في ظهور فكرة التصنيع الإضافي اللاحقة المتمثلة في "جعل البطارية جزءًا من الهيكل".
ومن وجهة نظره، يعد هذا طريقًا حتميًا لمواصلة مفهوم "الخلايا المتصلة مباشرة بحزم البطاريات" - من تحويل الخلايا إلى وحدات، إلى حزم البطاريات مباشرة، والآن إلى تحويل تخزين الطاقة إلى أنظمة فرعية هيكلية بدلاً من مكونات مستقلة. أول جهاز طباعة تجاري من شركة Material له منصة بحجم 550×350 ملم، وتقوم الشركة بالفعل بتطوير طابعات ذات تنسيقات أكبر لدعم تشكيل مكونات أكبر. وهذا يعني أيضًا أن نموذج الإنتاج قد يخضع لتغييرات جوهرية: في المستقبل، يمكن لبعض المنتجات أن تنتقل مباشرة من نماذج CAD إلى الأشياء المادية، دون الحاجة إلى تعديلات باهظة الثمن على خط الإنتاج واستثمارات في القوالب.
وأشار إلياس إلى أن عمالقة الإلكترونيات الاستهلاكية التقليدية يستكشفون أيضًا حلول البطاريات التي يمكن أن تتناسب مع الهيكل. على سبيل المثال، استخدمت شركة Apple عددًا كبيرًا من البطاريات ذات الشكل L والبطاريات ذات الشكل الخاص في أجهزة iPhone من خلال العمليات التقليدية للضغط على مساحة أكبر داخل الجسم. وهو يعتقد أنه إذا كان من الممكن تحقيق أشكال هندسية مماثلة أو حتى أكثر تعقيدًا عن طريق الطباعة، فلن يكون من المتوقع أن تنخفض التكلفة بشكل كبير فحسب، بل ستكون قابلية التوسع أقوى أيضًا، وهو أمر بالغ الأهمية للأجهزة القابلة للارتداء مثل النظارات الذكية التي تريد أن تأخذ في الاعتبار المظهر وعمر البطارية في المستقبل.
لكي يتم تنفيذ هذا المفهوم بشكل حقيقي، لا تزال المواد بحاجة إلى الاستمرار في تحسين استقرار العملية، وخاصة الخصائص الريولوجية للمادة والتحكم في سمك الطبقة. يحتاج إلى الحفاظ على درجة عالية من الاتساق على نطاق قريب من عرض شعرة الإنسان لضمان اتساق الإنتاجية والأداء. ومع ذلك، تظل الآفاق جذابة من منظور اقتصادي: فمن المتوقع أن تغطي البطاريات المطبوعة ثلاثية الأبعاد، بمجرد نضجها، نطاقًا سعريًا واسعًا من الخلايا المفردة إلى حزم البطاريات التي تبلغ قدرتها عدة كيلووات/ساعة، حيث تتراوح أسعار السوق الحالية للأخيرة من حوالي 400 دولار إلى 3000 دولار لكل كيلووات/ساعة.
ومن خلال تقليل الأجزاء وتبسيط عملية التجميع، من المتوقع أن تحقق البطاريات المطبوعة هوامش ربح أعلى في التطبيقات المعقدة مثل الطيران والدفاع التي تعتبر حساسة بشكل خاص للشكل والوزن، لأنه في هذه المجالات، غالبًا ما يكون التكامل الهيكلي والمرونة أكثر أهمية من تكلفة الوحدة البحتة. بالنسبة للمواد، إذا ثبت أن Hybrid3D ممكن في النهاية، فلن يعد شكل البطارية عائقًا على التصميم، ولكنه سيصبح جزءًا من التصميم نفسه.