3D-печать пористых электродов создает литиевые батареи следующего поколения

Москва, 10:57, 31 Июл 2018, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Несмотря на то, что для изготовления пористых электродов для литиево-ионных батарей можно использовать 3D-печать, но из-за характера производственного процесса конструкция этих трехмерных печатных электродов ограничена всего несколькими вариантами. До сих пор внутренняя геометрия, которая создавала лучшие пористые электроды, была так называемой межперемещенной геометрией — металлические зубцы, блокированные как пальцы двух сложенных рук, с литиевой вставкой между двумя сторонами.

Литиево-ионный аккумулятор может быть значительно улучшен, если в микромасштабе его электроды имеют поры и каналы.

Рахул Панат, профессор машиностроения в Университете Карнеги-Меллона совместно с исследователями Университета науки и техники Миссури разработали революционно новый метод изготовления трехмерных аккумуляторных электродов. Метод который создает трехмерную структура микрорешетки с контролируемой пористостью. 3-D печать структуры этой микрорешетки исследователи описывают в статье, опубликованной в журнале Additive Manufacturing, и она значительно улучшает пропускную способность и уровень заряда для литий-ионных батарей.

Способ изготовления электрода представляет собой значительный прогресс в области печати сложных геометрий для трехмерных архитектур, а также важный шаг в направлении геометрической оптимизации трехмерных конфигураций для хранения электрохимической энергии. По оценкам исследователей, эта технология будет готова к переходу на промышленные приложения примерно через 2 — 3 года.

Было показано, что микрорешетка из серебра (Ag), используемая в качестве электродов литиево-ионных батарей, улучшает характеристики батареи несколькими способами, такими как увеличение в четыре раза удельной емкости и двукратное увеличение площади поверхности по сравнению с твердым блоком (Ag). Кроме того, электроды сохраняли свои сложные трехмерные решетчатые структуры после 40 электрохимических циклов, демонстрируя их механическую прочность. Таким образом, батареи могут иметь большую емкость для одного и того же веса или попеременно, при той же мощности, значительно уменьшенном весе, что является важным атрибутом для применений в транспорте.

Исследователи Карнеги-Меллона разработали собственный метод трехмерной печати для создания пористых микрорешетчатых архитектур, одновременно используя существующие возможности трехмерной печатной системы Aerosol Jet. Система Aerosol Jet также позволяет печатать плоские датчики и другую электронику в микро-масштабе.

До сих пор трехмерные работы с аккумуляторными батареями были ограничены печатью на основе экструзии, где проволока материала экструдировалась из сопла, создавая непрерывные структуры. Используя этот метод, возможно использование междигитированных структур. Благодаря методу, разработанному в лаборатории профессора Паната, исследователи могут вести трехмерную печать электродов аккумуляторной батареи путем быстрой сборки отдельных капелек один за другим в трехмерные структуры. Полученные структуры имеют сложную геометрию, которую невозможно изготовить с использованием типичных методов экструзии.

Этот революционный метод будет очень важен для потребительской электроники, промышленности медицинских изделий, а также для аэрокосмических применений. Это исследование будет хорошо интегрироваться с биомедицинскими электронными устройствами, в которых требуются миниатюрные батареи.