鋰離子電池新時代——3D列印技術列印電極

圖片來源：卡內基梅隆大學工程學院的Rahul Panat提供

如圖所示：晶格結構可以為在材料體積內有效輸送電解質提供通道，而對於立方體電極，大多數材料不會暴露在電解質中。橫截面視圖顯示了銀網結構，其可以使電荷（Li ）能夠傳輸到集電器，同時還顯示了大多數印刷材料的使用情況。

3D列印可用於製造鋰離子電池的多孔電極——但由於製造工藝的性質，這些3D列印電極的設計僅限於幾種可能的電池結構。到目前為止，通過增材製造產生的最佳多孔電極的內部幾何形狀是所謂的交叉幾何形狀，即金屬插腳像兩個緊握的手指那樣相互連鎖，鋰離子在雙方之間穿梭。

如果在微觀尺度上，鋰離子電池的電極具有孔隙和通道，那麼鋰離子電池容量可以大大提高。這種交叉幾何形狀，雖然它確實允許鋰離子在充電和放電期間有效地通過電池傳輸，但效果並不是最佳的。

卡內基梅隆大學機械工程系副教授Rahul Panat以及該學校的一組研究人員與密蘇里科技大學共同合作，他們開發了一種具有革命性的3D列印電池電極的新方法，使用這種3D列印技術產生具有可控孔隙率的三維的微晶格結構。研究人員將這一科研成果發表在了「Additive Manufacturing」雜誌上，論文中展示了利用新方法產生的這種三維的微晶格結構，極大地提高了鋰離子電池的容量和充放電速率。

「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，從而導致極高的電極利用率，從而提高電池的儲能容量。在普通電池中，總電極體積的30-50％未被利用。通過使用3D列印技術，我們克服了這個難題，我們創建了一個微晶格電極結構，從而允許鋰在整個電極上高效地進行傳輸，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三維電池結構複雜幾何形狀印刷的重大進步，也是實現電化學儲能三維構型幾何優化的重要一步。研究人員估計，該技術將準備在大約2—3年內轉化為工業應用。

用作鋰離子電池的電極的微晶格結構（Ag），與固體塊（Ag）電極相比，可以在很多方面改善電池性能。例如，比容量增加4倍並且面積容量增加2倍。此外，電極在40個電化學循環後還能保持其複雜的3D晶格結構，證明了它們的機械強度。因此，這種新型結構的電池在相同重量下，具有比以往電池更高的容量；或者在相同的容量情況下，我們可以大大減輕電池的重量，這在運輸應用中是非常有意義的重要屬性。

卡內基梅隆大學的研究人員開發了他們自己的3D列印方法，同時利用氣溶膠噴射3D列印系統的現有功能，以創建多孔微晶格結構。氣溶膠噴射系統還允許研究人員在微觀尺度上印刷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基於擠出的列印，即從噴嘴中擠出材料的絲，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。所得到的結構具有複雜的幾何形狀，使用典型擠出方法是不可能製造出來的。

「因為這些液滴彼此分離，我們可以創造出這些新的複雜的幾何形狀，」Panat說。 「如果這是一種單一的材料流，在擠壓印刷的情況下，我們就無法製造複雜的幾何形狀。我們的這種方法是一個新事物。我相信，到目前為止，還沒有人用3D列印技術創造出這些複雜的結構。「

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都是非常重要的。該研究將與需要微型電池的生物醫學電子設備很好地結合在一起。非生物電子微器件也將從這項工作中受益。由於使用這種方法印刷的電池重量輕，容量大，在電子設備，小型無人機和航空航天應用領域本身也可以使用這項技術。

文章來自sciencedaily網站，原文題目為3D printing the next generation of batteries，由材料科技在線匯總整理。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！