CALTECH研究人員使用DLP 3D打印提高鋰離子電池的性能
時間：2021-02-10 10:21 來源：中國3D打印網 作者：中國3D打印網 閱讀：次
中國3D打印網２月10日訊，加州理工學院（Caltech）的一組研究人員開發了一種用于鋰離子電池的3D打印電極的新方法。使用DLP 3D打印技術（一種基于可見光的桶式光聚合方法），研究人員能夠制造復雜的聚合物結構，然后通過熱后處理將其轉換成有用的電極材料。最終的碳和鋰鈷氧化物結構分別顯示為陽極和陰極，并具有出色的電池性能和穩定性。
加州理工學院的研究生Kai Narita解釋說：“眾所周知，聚合物的熱解會導致碳的形成。我們的方法利用這種現象來制造3D碳材料。我們只需使用市售的光樹脂和數字光處理印刷來創建3D聚合物結構，然后將其在1000°C的溫度下熱解為碳。
通過DLP打印的復雜電極幾何3D。圖片來自加州理工學院。
鋰離子電池的局限性
自大約50年前發明以來，鋰離子電池已成為現代人類生活不可或缺的一部分，為從消費電子產品到軍事衛星的各種供電。因此，在電化學領域中有大量研究專門針對提高能量存儲設備的容量，同時使它們更小，更便宜和更快地充電。
除了讓我們整日坐在手機上，優質電池還對氣候變化產生重大影響，因為它們可以幫助減少社會對化石燃料的依賴，并促進可再生能源的使用。不幸的是，即使是在最前沿，諸如風能和太陽能農場的電動汽車和電網規模的儲能之類的應用仍然受到當前可用的能量密度和充電率的限制。
在具有平面電極的常規鋰離子電池中，能量密度（可以存儲的能量數量）和功率密度（能量釋放速率）通常是耦合的。例如，增加電極的質量將增加其能量密度，但由于電極厚度的增加而降低其功率密度，從而迫使離子和電子在放電前傳播更大的距離。如果要解除這種關系，則可以同時提高能量存儲設備的能量密度和功率密度。這就是3D打印的用武之地。
3D打印碳電極的SEM成像。圖片來自加州理工學院。
3D打印助您一臂之力
盡管近年來已經在實際應用中對3D打印進行了探索，但先前的嘗試很大程度上依賴于納米墨水擠出，而納米墨水擠出并不能應用于高分辨率零件。另一方面，還原槽光聚合解決了分辨率問題，但由于它基于聚合物化學性質，因此通常與電極材料不兼容。
借助DLP熱解技術，加州理工學院的團隊能夠將兩全其美的技術融為一體，并生產具有電極材料的高分辨率電極。由于該技術對復雜幾何形狀的親和力，他們能夠打印具有微米和納米尺寸子結構的厚電極結構。這有效地增加了定制電極的質量負荷，同時減輕了與較長運輸長度相關的功率密度問題，為高性能電池生產的新方法鋪平了道路。
研究的主要作者朱莉婭·格里爾教授總結說：“創建3D電極，對其結構設計，尺寸和現在的材料進行完全控制，使我們更加接近最終實現的目標。安全，機械堅固且高效的固態電池可擴展且可靠的制造方法。”
3D打印的碳電極層的特寫。圖片來自加州理工學院。
加州理工學院的研究生Kai Narita解釋說：“眾所周知，聚合物的熱解會導致碳的形成。我們的方法利用這種現象來制造3D碳材料。我們只需使用市售的光樹脂和數字光處理印刷來創建3D聚合物結構，然后將其在1000°C的溫度下熱解為碳。
通過DLP打印的復雜電極幾何3D。圖片來自加州理工學院。
鋰離子電池的局限性
自大約50年前發明以來，鋰離子電池已成為現代人類生活不可或缺的一部分，為從消費電子產品到軍事衛星的各種供電。因此，在電化學領域中有大量研究專門針對提高能量存儲設備的容量，同時使它們更小，更便宜和更快地充電。
除了讓我們整日坐在手機上，優質電池還對氣候變化產生重大影響，因為它們可以幫助減少社會對化石燃料的依賴，并促進可再生能源的使用。不幸的是，即使是在最前沿，諸如風能和太陽能農場的電動汽車和電網規模的儲能之類的應用仍然受到當前可用的能量密度和充電率的限制。
在具有平面電極的常規鋰離子電池中，能量密度（可以存儲的能量數量）和功率密度（能量釋放速率）通常是耦合的。例如，增加電極的質量將增加其能量密度，但由于電極厚度的增加而降低其功率密度，從而迫使離子和電子在放電前傳播更大的距離。如果要解除這種關系，則可以同時提高能量存儲設備的能量密度和功率密度。這就是3D打印的用武之地。
3D打印碳電極的SEM成像。圖片來自加州理工學院。
3D打印助您一臂之力
盡管近年來已經在實際應用中對3D打印進行了探索，但先前的嘗試很大程度上依賴于納米墨水擠出，而納米墨水擠出并不能應用于高分辨率零件。另一方面，還原槽光聚合解決了分辨率問題，但由于它基于聚合物化學性質，因此通常與電極材料不兼容。
借助DLP熱解技術，加州理工學院的團隊能夠將兩全其美的技術融為一體，并生產具有電極材料的高分辨率電極。由于該技術對復雜幾何形狀的親和力，他們能夠打印具有微米和納米尺寸子結構的厚電極結構。這有效地增加了定制電極的質量負荷，同時減輕了與較長運輸長度相關的功率密度問題，為高性能電池生產的新方法鋪平了道路。
研究的主要作者朱莉婭·格里爾教授總結說：“創建3D電極，對其結構設計，尺寸和現在的材料進行完全控制，使我們更加接近最終實現的目標。安全，機械堅固且高效的固態電池可擴展且可靠的制造方法。”
3D打印的碳電極層的特寫。圖片來自加州理工學院。
早在9月，3D打印機OEM Photocentric宣布成立了一個新部門，專門致力于開發環保3D打印電池。這家位于彼得伯勒的公司表示，它已承諾進行“重大投資”，包括一個整個研究團隊，以設計和3D打印更節能的存儲設備。
在其他地方，在航空航天領域，NASA的馬歇爾太空飛行中心先前已授予KULR Technology Group一項雙重用途技術協議，該協議可能會看到未來的太空飛行將使用3D打印備用電池組。 作為合作的一部分，KULR將使用其無源傳播抵抗（PPR）和內部短路（ISC）技術為人員和自主空間應用構建3D打印電池系統。
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(責任編輯：admin)
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