研究人員開創3D列印電池 重量輕容量大將使醫療設備及航空業受益

圖片來源：Rahul Panat, Carnegie Mellon University College of Engineering

增材製造，也稱為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。

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。

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