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加州理工學院:DLP 3D打印技術(shù)制造晶格結(jié)構(gòu)鋰電池電極

3D打印動態(tài)
2021
02/10
10:01
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2021年2月10日,南極熊獲悉,來自加州理工學院(Caltech)的研究團隊開發(fā)了一種3D打印鋰離子電池電極的新方法。

研究人員利用DLP 3D打印技術(shù),制造出復(fù)雜的聚合物結(jié)構(gòu),然后通過熱后處理轉(zhuǎn)化為有用的電極材料。最終的碳和鈷氧化鋰結(jié)構(gòu)分別被證明可以作為陽極和陰極使用,并稱具有優(yōu)異的電池性能和穩(wěn)定性。

加州理工學院研究生Kai Narita解釋說:"已知聚合物的熱解會導(dǎo)致碳的形成。我們的方法利用這一現(xiàn)象來制造3D打印碳材料。我們使用一種市售的光刻膠與DLP數(shù)字光處理工藝打印來創(chuàng)建3D聚合物結(jié)構(gòu),然后在1000˚C的溫度下熱解,將其轉(zhuǎn)化為碳的結(jié)構(gòu)。"

△通過DLP 3D打印的復(fù)雜電極幾何體,圖片來自加州理工學院

鋰離子電池的局限性

自50年前發(fā)明以來,鋰離子電池已成為現(xiàn)代人類生活中不可或缺的一部分,為從消費電子產(chǎn)品到軍用衛(wèi)星等各種產(chǎn)品提供動力。因此,在電化學領(lǐng)域,有大量的研究專門針對提高儲能設(shè)備的容量,同時使其更小、更便宜、更快充電。

除了可以讓我們的手機續(xù)航更長之外,更好的電池對氣候變化也有重大影響,因為它們可以幫助減少對化石燃料的依賴,而促進可再生能源的使用。遺憾的是,電動汽車以及風能和太陽能電網(wǎng)儲能等應(yīng)用,即使是最前沿的技術(shù),也仍然受到目前能量密度和充電速率的限制。

在傳統(tǒng)的平面電極鋰離子電池中,能量密度(可存儲的能量量)和功率密度(能量釋放率)往往是耦合的。例如,增加電極的質(zhì)量將增加其能量密度,但由于電極厚度的增加,離子和電子被迫在放電前移動更多的距離,從而降低其功率密度。如果將這種關(guān)系解耦,儲能設(shè)備的能量密度和功率密度都可以同時提高。這就是3D打印的作用。

△3D打印碳電極的SEM成像,圖片來自加州理工學院

3D打印幫了大忙

雖然近年來3D打印實際上已經(jīng)開始探索應(yīng)用,但之前的嘗試主要依靠納米油墨擠出,這并不適合高分辨率的零件。而光聚合則解決了分辨率的問題,但由于它是基于聚合物化學的,所以通常與電極材料不兼容。

利用DLP-熱解技術(shù),加州理工學院的團隊能夠?qū)烧叩膬?yōu)點結(jié)合起來,用電極材料生產(chǎn)高分辨率的電極。由于這項技術(shù)能夠打印出厚厚的電極結(jié)構(gòu)與微觀和納米大小的子結(jié)構(gòu),為高性能電池生產(chǎn)的新方法鋪平了道路。

研究的主要作者Julia Greer教授總結(jié)道:"創(chuàng)建3D打印電極,并對結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺寸以及材料進行完全控制,使我們更加接近可擴展的、可靠的固態(tài)電池制造方法,這種方法安全、機械堅固、高效。"

更多的研究細節(jié)可參見《Advanced Energy Materials 》和 《Advanced Materials Technologies》。

△3D打印的碳電極層特寫,圖片來自加州理工學院


編譯自:3dprintingindustry




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