電池電極的氣溶膠3D打印

3D打印，也稱為增材制造，已經成為許多新產品開發(fā)中的游戲規(guī)則改變者?，F(xiàn)在，已經應用了一種新型3D打印來設計高度多孔的鋰離子電池電極。新的電極幾何結構有望在未來的鋰離子電池中實現(xiàn)更高的充電速率和更高的能量密度。目前的商用鋰離子電池可以被認為是二維的。平面電極彼此平行，并且鋰離子通過電解質從一個電極流到另一個電極，電解質在充電和放電期間將它們分開。無論電池是圓柱形，硬幣形，棱柱形還是扁平形，電池的基本結構都是相同的。

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電池的容量與參與電化學反應的活性物質的總量有關。然而，對于固體平面電極，鋰離子可以穿透的距離是有限的。一種解決方案是使電極的表面非常大，但這導致電池很重并且其尺寸使得它們難以封裝在小型個人電子設備或甚至電動車輛(EV)中。

然而，隨著它們的電極表面積的增加，三維多孔電極將提供活性電化學材料的參與的增加。研究人員已經研究了這種應用的泡沫和其他多孔材料。他們還研究了3D打印。

傳統(tǒng)的3D

傳統(tǒng)的3D打印是基于擠出的，其中材料線從加熱的噴嘴擠出。構建連續(xù)胎面的層層以形成結構。使用這種方法，通過增材制造產生最佳多孔電極的結構是交叉指狀的幾何互鎖金屬叉。

這種相互交叉的幾何形狀允許鋰離子在充電和放電期間有效地穿過電池。但這不是最佳的。如果電極可以通過毛孔和通道進行3D打印，則可以提高鋰離子電池的容量。

新的3D氣溶膠

現(xiàn)在正在使用一種新型3D打印 - 使用單個液滴沉積和累積成三維結構的3D打印 - 來創(chuàng)建實驗性3D打印電極。這是卡內基梅隆大學機械工程副教授Rahul Panat的工作。使用Panat實驗室開發(fā)的方法，研究人員能夠使用典型的擠壓3D打印方法3D打印具有復雜幾何形狀的結構，這些結構是不可能制造的。

“在鋰離子電池的情況下，具有多孔結構的電極可以導致更高的充電容量，”凹座在卡內基梅隆壓所述釋放。“這是因為這種結構允許鋰穿透電極體積，導致非常高的電極利用率，從而提高能量存儲容量。在普通電池中，未使用總電極體積的30%至50%。我們的方法通過使用3D打印克服了這個問題，我們創(chuàng)建了一個微晶格電極架構，可以在整個電極上有效地傳輸鋰，這也提高了電池的充電速率。“

改進

正如研究人員在“增材制造”雜志上發(fā)表的一篇論文中所展示的那樣，將微晶格結構3D打印為電池電極 -極大地提高了實驗鋰離子電池的容量和充放電率。

研究人員使用了Aerosol Jet 3D打印系統(tǒng)。“由于這些液滴彼此分離，我們可以創(chuàng)造出這些新的復雜幾何形狀，”帕納特說。“如果這是一種單一的材料流，就像擠壓印刷那樣，我們就無法制造它們。這是一件新鮮事。我不相信任何人直到現(xiàn)在都使用3D打印來創(chuàng)造這些復雜的結構。“Panat估計3D電極印刷工藝可以在大約兩到三年內為工業(yè)應用做好準備。”