τρισδιάστατη εκτύπωση η επόμενη γενιά των μπαταριών λίθιου

Περίληψη: η τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κατασκευάσει τα πορώδη ηλεκτρόδια για τις λίθιο-ιονικές μπαταρίες -- αλλά λόγω της φύσης της διαδικασίας παραγωγής, το σχέδιο αυτών των τρισδιάστατων τυπωμένων ηλεκτροδίων περιορίζεται ακριβώς σε μερικές πιθανές αρχιτεκτονικές. Μέχρι τώρα, η εσωτερική γεωμετρία που παρήγαγε τα καλύτερα πορώδη ηλεκτρόδια μέσω της πρόσθετης ουσίας κατασκευαστικός ήταν αυτό που είναι γνωστό δεδομένου ότι η γεωμετρία -- prongs μετάλλων που ενδασφαλίστηκαν όπως τα δάχτυλα δύο τα χέρια, με το λίθιο που μεταξύ των δύο πλευρών.

Η λίθιο-ιονική ικανότητα μπαταριών μπορεί να βελτιωθεί απέραντα εάν, microscale, τα ηλεκτρόδιά τους έχουν τους πόρους και τα κανάλια. Η γεωμετρία, αν και επιτρέπει στο λίθιο για να μεταφέρει μέσω της μπαταρίας αποτελεσματικά κατά τη διάρκεια της φόρτισης και της εκφόρτισης, δεν είναι βέλτιστη.

Ο Rahul Panat, ένας αναπληρωτής καθηγητής του μηχανολόγου μηχανικού στο πανεπιστήμιο του Carnegie Mellon, και μια ομάδα των ερευνητών από το Carnegie Mellon σε συνεργασία με το πανεπιστήμιο του Μισσούρι της επιστήμης και της τεχνολογίας έχουν αναπτύξει μια επαναστατική νέα μέθοδο τρισδιάστατων ηλεκτροδίων μπαταριών εκτύπωσης που δημιουργεί μια τρισδιάστατη δομή microlattice με το ελεγχόμενο πορώδες. τρισδιάστατη εκτύπωση που αυτή η δομή microlattice, οι ερευνητές παρουσιάζει σε ένα έγγραφο που δημοσιεύεται στην πρόσθετη κατασκευή περιοδικών, βελτιώνει απέραντα τα ποσοστά ικανότητας και δαπάνη-απαλλαγής για τις λίθιο-ιονικές μπαταρίες.

«Στην περίπτωση των λίθιο-ιονικών μπαταριών, τα ηλεκτρόδια με τις πορώδεις αρχιτεκτονικές μπορούν να οδηγήσουν στις υψηλότερες ικανότητες δαπανών,» λέει Panat. «Αυτό είναι επειδή τέτοιες αρχιτεκτονικές επιτρέπουν στο λίθιο για να διαπεράσουν μέσω του όγκου ηλεκτροδίων που οδηγεί στην πολύ υψηλή χρησιμοποίηση ηλεκτροδίων, και με αυτόν τον τρόπο υψηλότερη ενεργειακή μεγάλη χωρητικότητα. Στις κανονικές μπαταρίες, 30-50% του συνολικού όγκου ηλεκτροδίων είναι αχρησιμοποίητο. Η μέθοδός μας υπερνικά αυτό το ζήτημα με τη χρησιμοποίηση της τρισδιάστατης εκτύπωσης όπου δημιουργούμε μια αρχιτεκτονική ηλεκτροδίων microlattice που επιτρέπει την αποδοτική μεταφορά του λίθιου μέσω του ολόκληρου ηλεκτροδίου, το οποίο αυξάνει επίσης τα ποσοστά φόρτισης μπαταριών.»

Η πρόσθετη μέθοδος κατασκευής που παρουσιάζεται στο έγγραφο Panat αντιπροσωπεύει μια σημαντική πρόοδο στη σύνθετη γεωμετρία εκτύπωσης για τις τρισδιάστατες αρχιτεκτονικές μπαταριών, καθώς επίσης και ένα σημαντικό βήμα προς γεωμετρικά να βελτιστοποιήσει τις τρισδιάστατες διαμορφώσεις για την ηλεκτροχημική ενεργειακή αποθήκευση. Οι ερευνητές υπολογίζουν ότι αυτή η τεχνολογία θα είναι έτοιμη να μεταφράσει στις βιομηχανικές εφαρμογές σε περίπου 2-3 έτη.

Η δομή microlattice (άργυρος) που χρησιμοποιήθηκε ως ηλεκτρόδια των λίθιο-ιονικών μπαταριών αποδείχθηκε για να βελτιώσει την απόδοση μπαταριών με διάφορους τρόπους όπως μια τετραπλή αύξηση στη συγκεκριμένη ικανότητα και μια διπλή αύξηση στην τοπική ικανότητα όταν συγκρίνεται με ένα στερεό ηλεκτρόδιο φραγμών (άργυρος). Επιπλέον, τα ηλεκτρόδια διατήρησαν τις σύνθετες τρισδιάστατες δομές δικτυωτού πλέγματός τους μετά από σαράντα ηλεκτροχημικούς κύκλους που καταδεικνύουν τη μηχανική ευρωστία τους. Οι μπαταρίες μπορούν έτσι να έχουν την υψηλή ικανότητα για το ίδιο βάρος ή διαδοχικά, για την ίδια ικανότητα, ένα απέραντα μειωμένο βάρος -- όποια είναι μια σημαντική ιδιότητα για τις εφαρμογές μεταφορών.

Οι ερευνητές του Carnegie Mellon ανέπτυξαν την τρισδιάστατη μέθοδο εκτύπωσής τους για να δημιουργήσουν τις πορώδεις αρχιτεκτονικές microlattice leveraging οι υπάρχουσες ικανότητες ενός αεριωθούμενου τρισδιάστατου συστήματος εκτύπωσης αερολύματος. Το αεριωθούμενο σύστημα αερολύματος επιτρέπει επίσης στους ερευνητές για να τυπώσει τους επίπεδους αισθητήρες και άλλη ηλεκτρονική micro-scale, το οποίο επεκτάθηκε στο κολλέγιο του πανεπιστημίου του Carnegie Mellon της εφαρμοσμένης μηχανικής νωρίτερα αυτό το χρόνο.

Μέχρι τώρα, οι τρισδιάστατες τυπωμένες προσπάθειες μπαταριών περιορίστηκαν στην εξώθηση-βασισμένη στο εκτύπωση, όπου ένα καλώδιο του υλικού εξωθείται από ένα ακροφύσιο, δημιουργώντας τις συνεχείς δομές. Οι δομές Interdigitated ήταν δυνατές χρησιμοποιώντας αυτήν την μέθοδο. Με τη μέθοδο που αναπτύσσεται στο εργαστήριο Panat, οι ερευνητές είναι σε θέση στην τρισδιάστατη τυπωμένη ύλη τα ηλεκτρόδια μπαταριών με γρήγορα να συγκεντρώσουν τα μεμονωμένα σταγονίδια ένα προς ένα στις τρισδιάστατες δομές. Οι προκύπτουσες δομές έχουν τη σύνθετη γεωμετρία αδύνατη να κατασκευάσει τη χρησιμοποίηση των χαρακτηριστικών μεθόδων εξώθησης.

«Επειδή αυτά τα σταγονίδια είναι χωρισμένα μεταξύ τους, μπορούμε να δημιουργήσουμε αυτή την νέα σύνθετη γεωμετρία,» λέει Panat. «Εάν αυτό ήταν ένα ενιαίο ρεύμα του υλικού, όπως είναι στην περίπτωση της εκτύπωσης εξώθησης, δεν θα ήμαστε σε θέση να τους κάνουμε. Αυτό είναι ένα νέο πράγμα. Δεν πιστεύω ότι οποιος δήποτε μέχρι τώρα έχει χρησιμοποιήσει την τρισδιάστατη εκτύπωση για να δημιουργήσει αυτά τα είδη σύνθετων δομών.»

Αυτή η επαναστατική μέθοδος θα είναι πολύ σημαντική για τα καταναλωτικά ηλεκτρονικά, τη βιομηχανία ιατρικών συσκευών, καθώς επίσης και τις αεροδιαστημικές εφαρμογές. Αυτή η έρευνα θα ενσωματώσει καλά με στις βιοϊατρικές ηλεκτρονικές συσκευές, όπου οι μικρογραφημένες μπαταρίες απαιτούνται. Οι μη βιολογικές ηλεκτρονικές μικροϋπολογιστής-συσκευές θα ωφεληθούν επίσης από αυτήν την εργασία. Και σε μια μεγαλύτερη κλίμακα, ηλεκτρονικές συσκευές, μικρούς κηφήνες, και αεροδιαστημικές εφαρμογές οι ίδιοι μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτήν την τεχνολογία επίσης, λόγω του χαμηλού βάρους και της μεγάλης ικανότητας των μπαταριών που τυπώνονται χρησιμοποιώντας αυτήν την μέθοδο.

Διάφορη λίθιο-ιονική συμπερίληψη μπαταριών υποστήριξης ΜΠΑΤΑΡΙΏΝ TAC του κυλινδρικού πολυμερούς λίθιου και του κυττάρου και του πακέτου μπαταριών lifepo4