Den første 3D-printede elektrolyt nogensinde til lithium-ion-batterier

For første gang, forskere har med succes trykt en komplet, om end eksperimenterende, lithium-ion batteri inklusive en solid state elektrolyt. Mens elektroder er blevet produceret ved hjælp af 3-D-printteknologi før, forskere ved University of Illinois ved Chicago College of Engineering har trykt en stald, men alligevel fleksibel, faststofelektrolyt ved brug af en ekstruderingsteknik med forhøjet temperatur. De rapporterer deres resultater i journalen Avancerede materialer .

Lithium-ion batterier er almindeligt anvendt i hjemmet og bærbar elektronik, og i nogle motorkøretøjer. De fungerer ved bevægelse af lithium-ioner fra den negative elektrode gennem en elektrolyt, som kan være flydende eller fast, til den positive elektrode under afladning og derefter tilbage under opladningsfasen.

Masseproduktion af disse batterier er en besværlig og dyr proces. Elektroderne og elektrolytten, som fremstilles separat, skal samles og placeres inde i et kabinet. Et kontrolleret miljø er nødvendigt for at undgå forurening, og der er behov for masser af belægninger og modifikationer for at fuldføre batteriet. Med konventionel produktion, batteristørrelser kan ikke nemt ændres, individuelle batterier kan heller ikke modificeres, så de passer til specifikke enheder, fordi det ville kræve, at de maskiner, der bruges til at fremstille batterierne, nulstilles til nye specifikationer.

3-D print giver mulighed for produktion og tilpasning af batterier meget hurtigere og billigere, fordi alle dele printes sammen på én gang. I lithium-ion-batterier, hvor elektroderne er blevet 3-D-printet, den konventionelt fremstillede elektrolyt er altid blevet tilsat efterfølgende i et separat trin.

Ved konventionel solid-state elektrolytproduktion, batterihuse skal forberedes med forskellige belægninger og opløsningsmidler, der bruges til fremstilling af elektrolytten, som derefter skal fordampes væk i et efterproduktionstrin. Hvis en elektrolyt printes direkte ind i et dannet 3-D-printet batteri, fordampning ville få elektrolytten til at krympe og trække sig væk fra elektroderne. Dette kan få batteriet til at kortslutte. Belægninger, der bruges til at sikre, at elektrolytten får god kontakt med hylstrene, og elektroderne er også ekstremt vanskelige at inkorporere i et 3-D-printet batteri.

For at komme uden om disse problemer, Reza Shahbazian-Yassar, lektor, og Yayue Pan, assisterende professor i maskin- og industriteknik ved UIC College of Engineering, sammen med kolleger designet en unik 3D-printer, der fungerer ved forhøjet temperatur. Det ekstruderer materialer ved omkring 120 grader Celsius sammenlignet med traditionel ekstrudering 3-D print, som foregår ved stuetemperatur. Deres faststof elektrolytblæk består af en polymerbase indeholdende titaniumoxidpartikler, der gør det muligt at være fleksibel, såvel som funktionelle. Det unikke elektrolytblæk kan deponeres direkte i batteriet, mens det udskrives.

"Den høje temperatur forhindrer efterproduktionssvind, " sagde Meng Cheng, en kandidatstuderende ved UIC College of Engineering og hovedforfatter af undersøgelsen. "Vores teknik forbedrer dramatisk effektiviteten af ​​fremstillingen af ​​elektrolytten og dens inkorporering i batteriet."

Shahbazian-Yassars eksperimentelle 3-D-printede batterier havde højere opladnings-/afladningskapacitet og bedre ydeevne end batterier, hvor elektrolytten blev fremstillet ved hjælp af traditionelle metoder. "Den direkte skrivning ved forhøjede temperaturer og vores specialiserede blæk er beviset på, at 3-D-printede lithium-ion-batterier er mulige, " sagde Reza.