3D-udskrivning af den næste generation af batterier

Additiv fremstilling, ellers kendt som 3D-udskrivning, kan bruges til at fremstille porøse elektroder til lithium-ion-batterier-men på grund af fremstillingsprocessens art, designet af disse 3D-trykte elektroder er begrænset til blot et par mulige arkitekturer. Indtil nu, den interne geometri, der frembragte de bedste porøse elektroder gennem additiv fremstilling, var det, der er kendt som en interdigiteret geometri - metalspidser, der lå sammen som fingrene på to lukkede hænder, med litiumskytten mellem de to sider.

Litium-ion batterikapacitet kan forbedres betydeligt, hvis, på mikroskalaen, deres elektroder har porer og kanaler. En interdigiteret geometri, selvom det tillader litium at transportere effektivt gennem batteriet under opladning og afladning, er ikke optimalt.

Rahul Panat, lektor i maskinteknik ved Carnegie Mellon University, og et team af forskere fra Carnegie Mellon i samarbejde med Missouri University of Science and Technology har udviklet en revolutionerende ny metode til 3-D-udskrivning af batterielektroder, der skaber en 3D-mikrolagstruktur med kontrolleret porøsitet. 3D-udskrivning af denne mikrolåsstruktur, viser forskerne i et papir offentliggjort i tidsskriftet Additiv fremstilling , forbedrer kapaciteten og ladningsafladningshastighederne for lithium-ion-batterier betydeligt.

"For litium-ion-batterier, elektroderne med porøse arkitekturer kan føre til højere ladningskapaciteter, "siger Panat." Dette skyldes, at sådanne arkitekturer lader lithium trænge igennem elektrodevolumenet, hvilket fører til meget høj udnyttelse af elektroder, og derved højere energilagringskapacitet. I normale batterier, 30-50% af det samlede elektrodevolumen er uudnyttet. Vores metode overvinder dette problem ved at bruge 3-D-udskrivning, hvor vi opretter en mikrolag elektrode-arkitektur, der tillader effektiv transport af lithium gennem hele elektroden, hvilket også øger batteriets opladningshastigheder. "

Den additive fremstillingsmetode, der er vist i Panats papir, repræsenterer et stort fremskridt inden for udskrivning af komplekse geometrier til 3D-batteriarkitekturer, samt et vigtigt skridt i retning af geometrisk optimering af 3D-konfigurationer til elektrokemisk energilagring. Forskerne vurderer, at denne teknologi vil være klar til at blive oversat til industrielle applikationer om cirka 2-3 år.

Det viste sig, at microlattice-strukturen (Ag), der anvendes som lithium-ion-batteriers elektroder, forbedrer batteriets ydeevne på flere måder, f.eks. En firdobling i specifik kapacitet og en dobbelt stigning i arealkapacitet sammenlignet med en solid blok (Ag) elektrode. Desuden, elektroderne bevarede deres komplekse 3-D gitterstrukturer efter fyrre elektrokemiske cyklusser, der demonstrerede deres mekaniske robusthed. Batterierne kan således have høj kapacitet for den samme vægt eller skiftevis, for samme kapacitet, en meget reduceret vægt - hvilket er en vigtig egenskab for transportapplikationer.

Carnegie Mellon-forskerne udviklede deres egen 3-D-udskrivningsmetode til at skabe de porøse mikrolag-arkitekturer, samtidig med at de udnyttede de eksisterende muligheder for et Aerosol Jet 3D-udskrivningssystem. Aerosol Jet-systemet giver også forskerne mulighed for at udskrive plane sensorer og anden elektronik i en mikroskala, som blev indsat på Carnegie Mellon University's College of Engineering tidligere på året.

Indtil nu, 3-D trykt batteriindsats var begrænset til ekstruderingsbaseret udskrivning, hvor en tråd af materiale ekstruderes fra en dyse, skabe kontinuerlige strukturer. Interdigiterede strukturer var mulige ved hjælp af denne metode. Med metoden udviklet i Panats laboratorium, forskerne er i stand til at 3D-udskrive batteriets elektroder ved hurtigt at samle individuelle dråber en efter en i tredimensionelle strukturer. De resulterende strukturer har komplekse geometrier, der er umulige at fremstille ved hjælp af typiske ekstruderingsmetoder.

"Fordi disse dråber er adskilt fra hinanden, vi kan skabe disse nye komplekse geometrier, "siger Panat." Hvis dette var en enkelt strøm af materiale, som i tilfælde af ekstruderingstryk, vi ville ikke være i stand til at lave dem. Dette er en ny ting. Jeg tror ikke, at nogen indtil nu har brugt 3D-print til at skabe den slags komplekse strukturer. "

Denne revolutionerende metode vil være meget vigtig for forbrugerelektronik, medicinsk udstyrsindustri, samt rumfartsapplikationer. Denne forskning vil integrere godt med de biomedicinske elektroniske enheder, hvor miniaturiserede batterier er påkrævet. Ikke-biologiske elektroniske mikroenheder vil også drage fordel af dette arbejde. Og i større skala, elektroniske anordninger, små droner, og rumfartsapplikationer selv kan også bruge denne teknologi, på grund af den lave vægt og høje kapacitet af de batterier, der udskrives ved hjælp af denne metode.

Holdet, som også omfatter maskinteknik Ph.D. studerende Mohammad Sadeq Saleh og postdoktor Jie Li (Missouri University of Science and Technology), arbejder også på at skabe mere komplekse tredimensionelle strukturer, som samtidig kan bruges som konstruktionsmaterialer og som funktionelle materialer. For eksempel, en del af en drone kan fungere som en vinge, et konstruktionsmateriale, samtidig fungerer det som et funktionelt materiale, såsom et batteri.