3D打印下一代電池

增材制造，也稱為3-D印刷，可用于制造鋰離子電池的多孔電極 - 但由于制造工藝的性質，這些3-D印刷電極的設計僅限于少數幾個可能的架構。到目前為止，通過增材制造產生最佳多孔電極的內部幾何形狀是所謂的交叉幾何形狀 - 金屬插腳像兩個雙手的指狀物一樣互鎖，鋰電池在兩側之間穿梭。

如果在微觀尺度上，它們的電極具有孔隙和通道，則鋰離子電池容量可以大大提高。交叉幾何形狀雖然確實允許鋰在充電和放電期間有效地通過電池輸送，但并不是最佳的。

Carnegie Mellon大學機械工程副教授Rahul Panat和卡內基梅隆大學的研究人員與密蘇里科技大學合作開發了一種革命性的3D打印電池電極新方法，可創建3-D具有可控孔隙率的微晶格結構。研究人員在發表在Additive Manufacturing雜志上的一篇論文中展示了這種微晶格結構的三維印刷，極大地提高了鋰離子電池的容量和充放電率。

“對于鋰離子電池，具有多孔結構的電極可以帶來更高的充電容量，”Panat說。“這是因為這種結構允許鋰穿透電極體積，從而導致非常高的電極利用率，從而提高儲能容量。在普通電池中，總電極體積的30-50%%未被利用。我們的方法克服了這個問題通過使用3D打印，我們創建了一個微晶格電極架構，可以在整個電極上有效地傳輸鋰，這也提高了電池的充電速率。“

Panat的論文中介紹的增材制造方法代表了三維電池架構復雜幾何形狀印刷的重大進步，以及幾何優化電化學儲能三維配置的重要一步。研究人員估計，該技術將在大約2 - 3年內準備好轉化為工業應用。

用作鋰離子電池電極的微晶格結構(Ag)顯示出以幾種方式改善電池性能，例如與固體塊(Ag)電極相比，比容量增加四倍并且面積容量增加兩倍。此外，電極在40個電化學循環后保留其復雜的3D晶格結構，證明了它們的機械強度。因此，電池可以具有相同重量的高容量，或者相同的容量，大大減輕了重量 - 這是運輸應用的重要屬性。

卡內基梅隆大學的研究人員開發了自己的3D打印方法，以創建多孔微晶格架構，同時利用Aerosol Jet 3-D打印系統的現有功能。氣溶膠噴射系統還允許研究人員在微觀尺度上印刷平面傳感器和其他電子設備，該設備于今年早些時候部署在卡內基梅隆大學工程學院。

到目前為止，3D打印電池的工作僅限于基于擠出的打印，其中材料線從噴嘴擠出，形成連續的結構。使用這種方法可以實現交叉結構。通過在Panat實驗室開發的方法，研究人員能夠通過將各個液滴逐個快速地組裝成三維結構來對電池電極進行3D打印。所得到的結構具有使用典型擠出方法不可能制造的復雜幾何形狀。

“因為這些液滴彼此分離，我們可以創造出這些新的復雜幾何形狀，”Panat說。“如果這是一種單一的材料流，就像在擠壓印刷的情況下，我們就無法制造它們。這是一個新的東西。我不相信任何人直到現在才使用3D打印創造這些復雜的結構。“

這種革命性的方法對于消費電子，醫療設備行業以及航空航天應用非常重要。該研究將與需要小型化電池的生物醫學電子設備很好地集成。非生物電子微器件也將從這項工作中受益。由于使用這種方法印刷的電池重量輕，容量大，電子設備，小型無人機和航空航天應用本身也可以使用這種技術。