電池電極的氣溶膠3D打印

3D打印，也稱為增材制造，已經(jīng)成為許多新產(chǎn)品開發(fā)中的游戲規(guī)則改變者。現(xiàn)在，已經(jīng)應(yīng)用了一種新型3D打印來設(shè)計(jì)高度多孔的鋰離子電池電極。新的電極幾何結(jié)構(gòu)有望在未來的鋰離子電池中實(shí)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(rèn)為是二維的。平面電極彼此平行，并且鋰離子通過電解質(zhì)從一個(gè)電極流到另一個(gè)電極，電解質(zhì)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(jié)構(gòu)都是相同的。

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電池的容量與參與電化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)的總量有關(guān)。然而，對(duì)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(dǎo)致電池很重并且其尺寸使得它們難以封裝在小型個(gè)人電子設(shè)備或甚至電動(dòng)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(xué)材料的參與的增加。研究人員已經(jīng)研究了這種應(yīng)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(gòu)建連續(xù)胎面的層層以形成結(jié)構(gòu)。使用這種方法，通過增材制造產(chǎn)生最佳多孔電極的結(jié)構(gòu)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(jìn)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(gè)液滴沉積和累積成三維結(jié)構(gòu)的3D打印 - 來創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)性3D打印電極。這是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程副教授Rahul Panat的工作。使用Panat實(shí)驗(yàn)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(fù)雜幾何形狀的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是不可能制造的。

“在鋰離子電池的情況下，具有多孔結(jié)構(gòu)的電極可以導(dǎo)致更高的充電容量，”凹座在卡內(nèi)基梅隆壓所述釋放。“這是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)允許鋰穿透電極體積，導(dǎo)致非常高的電極利用率，從而提高能量存儲(chǔ)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(gè)問題，我們創(chuàng)建了一個(gè)微晶格電極架構(gòu)，可以在整個(gè)電極上有效地傳輸鋰，這也提高了電池的充電速率。“

改進(jìn)

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(jié)構(gòu)3D打印為電池電極 -極大地提高了實(shí)驗(yàn)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(fù)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)。“Panat估計(jì)3D電極印刷工藝可以在大約兩到三年內(nèi)為工業(yè)應(yīng)用做好準(zhǔn)備。”