Drukowanie 3D używane do tworzenia lepszych baterii litowo-jonowych

Prawdopodobnie musisz użyć akumulatorów litowo-jonowych przynajmniej na jednym urządzeniu w pewnym momencie. Mogą być bólem, który trzeba zastąpić, gdy zabraknie im soku i chociaż zwykle trwają długo, nie trwają wiecznie. Jednak grupa naukowców z Carnegie Mellon University i Missouri University of Science and Technology opracowała metodę druku 3D na bateriach litowo-jonowych, co znacznie poprawia ich wydajność i szybkość rozładowania. Wyniki opublikowano w artykule zatytułowanym "3D drukowane hierarchicznie porowate materiały na elektrody mikrolityczne o wyjątkowo dużej pojemności i pojemnościowe akumulatory litowo-jonowe", do których można uzyskać dostęp.

Możliwe było już 3D drukuj porowate elektrody do akumulatorów litowo-jonowych, ale konstrukcja elektrod drukowanych 3D jest ograniczona do kilku możliwych architektur. Pojemność akumulatorów litowo-jonowych można znacznie poprawić, tworząc pory i kanały w mikroskali w elektrodach. Wewnętrzna geometria, która wytworzyła najlepsze porowate elektrody poprzez drukowanie 3D, nazywa się geometrią interdigitated, która obejmuje metalowe zęby połączone jak splecione palce, z litem poruszającym się tam iz powrotem między obydwoma stronami. Ta geometria nie jest jednak optymalna.

Zespół badawczy, kierowany przez Carnegie Mellon, profesora inżynierii mechanicznej Rahul Panat, opracował nową metodę druku 3D elektrod akumulatorowych litowo-jonowych. Ich metoda tworzy trójwymiarową strukturę mikrolitową o kontrolowanej porowatości CD3D .

"W przypadku akumulatorów litowo-jonowych, elektrody z porowatymi architekturami mogą prowadzić do wyższych ładunków "- powiedział Panat. "Dzieje się tak dlatego, że takie architektury umożliwiają przenikanie litu przez objętość elektrody, co prowadzi do bardzo wysokiego wykorzystania elektrody, a tym samym większej zdolności magazynowania energii. W zwykłych akumulatorach 30-50% całkowitej objętości elektrody jest niewykorzystane. Nasza metoda rozwiązuje ten problem, wykorzystując druk 3D, w którym tworzymy konstrukcję elektrod mikrokanitowych, która pozwala na efektywny transport litu przez całą elektrodę, co również zwiększa szybkość ładowania baterii. "

Panat i jego autor Mohammad Sadeq Saleh od jakiegoś czasu studiował drukowanie 3D struktur mikrokanalitycznych i użył metody drukowania aerozolu Jet 3D, którą sami opracowali, aby stworzyć porowatą architekturę mikrolatową dla bateriielektrody. Struktura mikrosoczewki (Ag) zastosowana w elektrodach akumulatorowych poprawiła wydajność akumulatora na kilka sposobów, w tym czterokrotny wzrost pojemności właściwej i dwukrotny wzrost pojemności powierzchniowej w porównaniu z elektrodą z litego bloku (Ag). Elektrody były również niezwykle wytrzymałe, zachowując swoje struktury kratowe 3D po 40 cyklach elektrochemicznych. Akumulatory mogą więc mieć dużą pojemność dla tej samej wagi lub tej samej pojemności, co znacznie obniża wagę, co jest ważne w zastosowaniach związanych z transportem.

Wcześniej baterie drukowane 3D były tworzone za pomocą 3D opartego na ekstruzji drukowanie, które może tworzyć wzajemnie powiązane struktury, ale nie jest w stanie wyprodukować złożonych geometrii, którymi może zarządzać metoda Aerosol Jet zespołu badawczego. Za pomocą tej metody poszczególne kropelki można szybko łączyć w struktury 3D.

"Ponieważ te kropelki są od siebie oddzielone, możemy tworzyć nowe, złożone geometrie" - powiedział Panat. "Gdyby to był pojedynczy strumień materiału, tak jak w przypadku drukowania przez wytłaczanie, nie bylibyśmy w stanie ich wykonać. To jest nowa sprawa. Nie sądzę, aby ktokolwiek do tej pory używał druku 3D do tworzenia tego rodzaju złożonych struktur. "

Ta metoda ma wiele implikacji dla elektroniki użytkowej, urządzeń medycznych i lotnictwa. Naukowcy są przekonani, że technologia będzie mogła zostać przetłumaczona na aplikacje przemysłowe w ciągu dwóch do trzech lat.