3D列印具有3D微晶格結構的小型鋰離子電池，提高容量和充放電率
當前3D列印用於製造鋰離子電池的多孔電極製造僅限於少數幾個可能的架構。到目前為止，通過增材製造產生最佳多孔電極的內部幾何形狀就是所謂的交叉幾何形狀 —— 金屬插片像緊握雙手的手指一樣，交叉鎖住，鋰穿梭在兩側之間。而最近，研究人員創建了具有可控孔隙率的3D微晶格結構，可大幅提升鋰電池的性能。
可控孔隙率的微晶格結構
在微觀尺度上，如果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傳輸，但並不是最佳的。
卡內基梅隆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學技術大學合作，開發了一種革命性的新方法，即3D列印電池電極，可創建具有可控孔隙率的3D微晶格結構。研究人員在發表在增材製造雜誌上的一篇論文中展示了這種微晶格結構的3D列印，極大地提高了鋰離子電池的容量和充放電率。
「對於鋰離子電池，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，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列印，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製造方法代表了列印3D電池架構複雜幾何形狀的重大進步，以及幾何優化電化學儲能3D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。
用作鋰離子電池的電極的微晶格結構(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，具體容量增加四倍並且表面容量增加兩倍。此外，電極在40個電化學循環後保留其複雜的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列印方法，以創建多孔微晶格架構，同時利用Aerosol Jet 3D列印系統的現有功能。氣溶膠噴射系統還允許研究人員在微觀層面上列印平面感測器和其他電子設備，該設備於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列印電池的工作僅限於以擠壓為基礎的列印，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列印。所得到的結構具有使用典型擠壓方法不可能製造的複雜幾何形狀。
「因為這些液滴彼此分離，我們可以創造出這些新的複雜幾何形狀。」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，我們就無法製造它們。這是一個新的東西。我不相信直到現在才有人使用3D列印創造這些複雜的結構。「
這種革命性的方法對於消費電子、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。由於使用這種方法列印的電池重量輕、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。
以上來源：前瞻網
電池製造的顛覆趨勢
目前我們使用的電池主要有三大不足之處：充電時間往往以小時計；充電和放電的次數是有限的，因此壽命相對比較短；不環保，回收時需要特殊的、昂貴的處理過程。
根據3D科學谷的市場觀察，3D列印用於電池的製造可以劃分為兩大派系，第一大派系如正文說提到的通過創建複雜的幾何形狀提升鋰電池的容量和充放電效率。第二大派系是通過3D列印諸如石墨烯等其他材料來尋找一種替代鋰電池的方法。
2016年，澳大利亞斯威本大學（Swinburne University）的研究人員通過3D列印石墨烯薄片，發明了一種全新而且應用廣泛的能源存儲技術（從技術上講，是一種超級電容器），可容納更大的電荷能量，並且在一秒鐘內完成充電。
而根據3D科學谷的市場觀察，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）於2015年4月就取得石墨烯材料應用的突破，實驗室的科研人員以石墨烯氣凝膠做為3D列印的材料，並按照設計好的架構進行3D列印。列印出的石墨稀微格具有優異的導電性和表面積，可以作為存儲能量的新載體，並可用於感測器、納米電子學、催化、分離等應用。
這種石墨烯材料的3D列印電池由於充電和放電不會降低電池的質量，所以這些電池理論上可以反覆充電使用持續一輩子。考慮到不用頻繁拋棄充電電池對環境帶來的威脅，這一優點使得3D列印新型超級電池的商業空間更具想像力。
更加集成的製造推動產品改頭換面
關於卡內基梅隆大學所使用的Optomec的氣溶膠噴射3D列印技術（Aerosol Jet）， 這種技術不會改變承印物和油墨的物理性能和化學性能。Optomec的5軸3D列印設備工作原理是將列印材料霧化成一個密集的氣溶膠液滴。這種液滴混合惰性氣體，通過列印頭擠出固化。該設備可列印10微米-1毫米寬的材料，列印材料包括導電油墨、粘合劑、聚合物、電介質、膠粘劑等，從而製造表面不平坦的電子內件和印刷線路板。該技術可以列印更小的、更高性能的移動電子設備。
隨著3D列印技術包括FDM熔融擠出技術、SLS選擇性激光燒結技術、SLA光固化技術、以及多噴頭3D列印技術等技術在電池和電子結構件方面的應用深化，根據3D科學谷的市場研究與預測，生活中的很多電子產品有一天將會發生改頭換面的變化：手機屏幕也將可摺疊，通過3D列印柔性材料以及更強大的電子元件，將手機電池、天線、電子元器件作為一個整體製造出來；而像助聽器這類的電子產品或許可以通過3D列印電池、電子元器件以及助聽器外殼一次性完成。
參考資料：
- Printing Batteries，New inks and tools allow 3-D printing of lithium-ion technology by Mike Orcutt，MIT Technology Review
- Mean Lightweight, Longer-Lasting Electronics By Stephanie Mlot, geek.com
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