Drukowanie 3D następnej generacji baterii litowych

Pojemność akumulatora litowo-jonowego można znacznie poprawić, jeśli na mikroskali elektrody mają pory i kanały. Przenikająca się geometria, chociaż pozwala na wydajne ładowanie litu przez akumulator podczas ładowania i rozładowywania, nie jest optymalna.

Rahul Panat, profesor inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Carnegie Mellon, oraz zespół naukowców z Carnegie Mellon we współpracy z Uniwersytetem Nauki i Technologii w Missouri opracowali rewolucyjną nową metodę elektrod 3-D do elektrod akumulatorowych, która tworzy 3-D struktura mikrokaneli z kontrolowaną porowatością. Drukarka 3D drukująca tę strukturę mikrosoczewkową, jak pokazują naukowcy w artykule opublikowanym w czasopiśmie Additive Manufacturing , znacznie poprawia wydajność i szybkość rozładowania dla akumulatorów litowo-jonowych.

"W przypadku akumulatorów litowo-jonowych elektrody o porowatej architekturze mogą prowadzić do zwiększenia pojemności" - mówi 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 pojemności magazynowania energii.W normalnych bateriach 30-50% całkowitej objętości elektrody jest niewykorzystane. Nasza metoda rozwiązuje ten problem. za pomocą drukowania 3D, w którym tworzymy konstrukcję elektrody mikrokanitowej, która umożliwia efektywny transport litu przez całą elektrodę, co również zwiększa szybkość ładowania baterii. "

Metoda produkcji dodatków przedstawiona w opracowaniu Panat stanowi znaczący postęp w drukowaniu złożonych geometrii dla architektur baterii trójwymiarowych, a także ważny krok w kierunku geometrycznej optymalizacji konfiguracji trójwymiarowych do magazynowania energii elektrochemicznej. Naukowcy szacują, że technologia ta będzie gotowa do przetłumaczenia na zastosowania przemysłowe w ciągu około 2-3 lat.

Wykazano, że struktura mikrosoczewki (Ag) używana jako elektrody litowo-jonowe poprawia wydajność baterii na kilka sposobów, takich jak czterokrotny wzrost pojemności właściwej i dwukrotny wzrost pojemności powierzchniowej w porównaniu do elektrody z litym blokiem (Ag). Ponadto, elektrody zachowały złożone struktury przestrzenne 3D po czterdziestu cyklach elektrochemicznych, wykazując ich mechaniczną wytrzymałość. Akumulatory mogą zatem mieć dużą pojemność dla tej samej wagi lub naprzemiennie, przy tej samej pojemności, znacznie zmniejszonej wadze - co jest ważnym atrybutem w zastosowaniach transportowych.

Naukowcy z Carnegie Mellon opracowali własną metodę drukowania trójwymiarowego, aby tworzyć porowate architektury mikrosoczewkowe, jednocześnie wykorzystując istniejące możliwości systemu drukowania Aerosol Jet 3-D. System Aerosol Jet umożliwia również naukowcom drukowanie czujników planarnych i innych urządzeń elektronicznych w skali mikro, która została wdrożona w College of Engineering Carnegie Mellon University na początku bieżącego roku.

Do tej pory wysiłki związane z drukowaniem trójwymiarowym ograniczały się do drukowania przez wytłaczanie, gdzie drut materiału wytłaczany jest z dyszy, tworząc ciągłe struktury. Struktury o wzajemnej zależności były możliwe przy użyciu tej metody. Dzięki metodzie opracowanej w laboratorium Panat naukowcy są w stanie drukować elektrody na bateriach 3-D poprzez szybki montaż pojedynczych kropelek jeden po drugim w trójwymiarowe struktury. Powstałe struktury mają skomplikowane geometrie niemożliwe do wytworzenia przy użyciu typowych metod wyciskania.

"Ponieważ te kropelki są od siebie oddzielone, możemy tworzyć nowe, złożone geometrie" - mówi Panat. "Gdyby to był pojedynczy strumień materiału, tak jak w przypadku drukowania przez wytłaczanie, nie bylibyśmy w stanie ich wykonać." To jest coś nowego, nie wierzę nikomu, aż do tej pory nie używał drukowania 3D tworzyć tego rodzaju złożone struktury. "

Ta rewolucyjna metoda będzie bardzo ważna dla elektroniki użytkowej, przemysłu urządzeń medycznych, a także zastosowań lotniczych. Badania te będą dobrze zintegrowane z biomedycznymi urządzeniami elektronicznymi, w których wymagane są zminiaturyzowane baterie. Z tych prac skorzystają również niebiologiczne mikroukłady elektroniczne. I na większą skalę urządzenia elektroniczne, małe drony i aplikacje kosmiczne mogą również korzystać z tej technologii, ze względu na niską wagę i dużą pojemność baterii drukowanych przy użyciu tej metody.

BATERIA TAC Obsługuje różne baterie litowo-jonowe, w tym cylindryczne litowo polimerowe i baterie lifepo4 oraz opakowanie