3D打印技術(shù)造出微觀多孔鋰電池 使鋰電池容量陡增4倍

美國(guó)工程師已經(jīng)研發(fā)出一種3D打印方法，有可能極大的提升鋰離子電池的容量和充放電速度。

如果鋰離子電池的電極含有微觀的氣孔或者通道，那么它們的容量就會(huì)得到極大的改善。目前來(lái)說(shuō)，通過(guò)添加物制造的最佳多孔電極，其內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)是相互交叉的，這就能夠讓鋰離子在充電和放電的過(guò)程中自由的在電池內(nèi)游動(dòng)，但這并非是最理想的設(shè)計(jì)。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)副教授Rahul Panat帶領(lǐng)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)與密蘇里科技大學(xué)進(jìn)行合作，他們已經(jīng)研發(fā)出了一種3D打印電池電極的新方法，這種方法能夠打造出擁有受控氣孔的微觀金屬結(jié)構(gòu)。他們的研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在《添加劑制造業(yè)》雜志上。

Panat稱：“在鋰離子電池中，擁有多孔結(jié)構(gòu)的電極能夠帶來(lái)更強(qiáng)的蓄電容量。這是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)允許鋰離子大量進(jìn)入電極內(nèi)，這就能夠?qū)崿F(xiàn)更高的電極利用率，而且?guī)?lái)更高的蓄電能力。在普通電池中，電極有30%到50%是得不到利用的。我們通過(guò)3D打印技術(shù)克服了這一問(wèn)題，3D打印制造的微觀電極結(jié)構(gòu)能夠讓鋰離子在電極內(nèi)更有效的傳輸，這也會(huì)改善電池的充電速度。”

被用作鋰離子電池電極的微觀金屬結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒈热萘刻嵘谋?，而且與傳統(tǒng)固體電池相比區(qū)域容量增加了兩倍。據(jù)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員稱，這種電極在經(jīng)過(guò)40次的電化學(xué)過(guò)程之后，仍然保留了它們復(fù)雜的3D晶格結(jié)構(gòu)，這也證實(shí)了它們的機(jī)械穩(wěn)定性。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員借助了氣流噴印3D打印系統(tǒng)的現(xiàn)有能力，研發(fā)出了他們自己的3D打印方法，制造出多孔的微觀金屬結(jié)構(gòu)。在此之前，3D打印電池的研究都受到擠壓打印技術(shù)的限制，也就是通過(guò)噴嘴擠壓材料形成連續(xù)結(jié)構(gòu)的打印技術(shù)。借助擠壓打印技術(shù)只能制造出交叉結(jié)構(gòu)的電池。

借助Panat實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的這種新方法，研究人員能夠快速的將一個(gè)一個(gè)的個(gè)體液滴堆疊成三維結(jié)構(gòu)，從而打印出電池電極。這種技術(shù)打印出的結(jié)構(gòu)有著復(fù)雜的幾何學(xué)特性，這是傳統(tǒng)擠壓打印方法無(wú)法制造出來(lái)的。

Panat稱：“由于這些液滴是彼此分離的，所以我們能夠創(chuàng)造出這種全新的復(fù)雜幾何學(xué)結(jié)構(gòu)。如果它們是像傳統(tǒng)擠壓打印技術(shù)所使用的那種里連續(xù)材料，我們就無(wú)法制造出這種復(fù)雜電極結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)新的研究領(lǐng)域，在此之前我并不認(rèn)為有人能夠借助3D打印技術(shù)創(chuàng)造出這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。”研究人員估計(jì)，這種新3D打印方法衍生出的技術(shù)大約在2到3年內(nèi)就能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。