چاپ 3D نسل بعدی باتری های لیتیوم

خلاصه: چاپ سهبعدی می تواند برای ساخت الکترودهای متخلخل برای باتری های لیتیوم یون استفاده شود، اما به دلیل ماهیت فرایند تولید، طراحی این الکترودهای چاپ شده در 3D محدود به تنها چند معماری ممکن می شود. تا به حال، هندسه داخلی که بهترین الکترودهای متخلخل را از طریق تولید افزودنی تولید می کند، به عنوان یک هندسه متمایز شناخته می شود - زاویه فلزی مانند انگشتان دست دو دست که با دو لتیوم بین دو طرف متصل است.

ظرفیت باتری لیتیوم یونی می تواند به شدت بهبود پیدا کند، در صورتی که در میکروسکوپ الکترودهای آنها دارای منافذ و کانال ها باشند. یک هندسه درهم و برهمی، هر چند که اجازه می دهد لیتیوم را از طریق باتری به طور موثر در طول شارژ و تخلیه، بهینه نیست.

Rahul Panat، استاد دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه Carnegie Mellon، و گروهی از محققان کارنگی ملون در همکاری با دانشگاه علوم و تکنولوژی میسوری، یک روش جدید انقلابی از الکترود باتری سه بعدی چاپ کرده اند که باعث ایجاد سه بعدی ساختار microlattice با تخلخل کنترل شده. محققان در یک مقاله منتشر شده در مجله Additive Manufacturing نشان می دهند که ظرفیت و میزان تخلیه بار باتری های لیتیوم یون به میزان قابل توجهی افزایش می یابد.

پانات می گوید: "در مورد باتری های لیتیوم یون، الکترودهای با معماری متخلخل می توانند ظرفیت های بالاتر را افزایش دهند." "این به این دلیل است که چنین معماری اجازه می دهد که لیتیوم از طریق حجم الکترود نفوذ کند که منجر به استفاده از الکترود بسیار بالا می شود و در نتیجه ظرفیت ذخیره سازی انرژی بیشتر است. در باتری های معمولی 30 تا 50 درصد حجم کل الکترود استفاده نشده است. روش ما این مسئله را برطرف می کند با استفاده از چاپ سه بعدی که در آن ما یک معماری الکترود microlattice ایجاد می کنیم که اجازه می دهد تا انتقال الکتریسیته لیتیوم از طریق کل الکترود انجام شود که باعث افزایش میزان شارژ باتری می شود. "

روش تولید افزودنی ارائه شده در مقاله پانات نشان دهنده پیشرفت مهمی در چاپ هندسه های پیچیده برای معماری باتری 3-D است و همچنین یک گام مهم در جهت بهینه سازی جزیی تنظیمات 3-D برای ذخیره سازی انرژی الکتروشیمیایی است. محققان تخمین می زنند که این فناوری در حدود 2-3 سال برای استفاده در برنامه های کاربردی صنعتی آماده است.

ساختار میکرولیتیک (Ag) به عنوان الکترود باتری های لیتیوم یون استفاده شده است که نشان می دهد که عملکرد باتری را در چندین روش بهبود می بخشد مانند افزایش چهار برابر ظرفیت خاص و افزایش دو برابر ظرفیت منطقه در مقایسه با یک الکترود بلوک جامد (Ag). علاوه بر این، الکترودها پس از چهل دوره الکتروشیمیایی، توانایی مکانیکی خود را حفظ کردند. بنابراین باتری ها می توانند ظرفیت بالا برای وزن مشابه داشته باشند یا به طور متناوب، برای یک ظرفیت مشابه، وزن بسیار کم - که یک ویژگی مهم برای برنامه های حمل و نقل است.

محققان Carnegie Mellon خود را به روش چاپ سه بعدی خود برای ایجاد معماری میکرولیتی متخلخل با استفاده از قابلیت های موجود در سیستم چاپ Aerosol Jet 3-D توسعه دادند. سیستم Aerosol Jet همچنین به محققان اجازه می دهد تا سنسورهای مسطح و سایر الکترونیک را در یک مقیاس کوچک که در سال جاری در دانشکده مهندسی دانشگاه کارنگی ملون مستقر شده اند، چاپ کند.

تا کنون، تلاش های باتری چاپ 3 بعدی محدود به چاپ مبتنی بر اکستروژن بود، جایی که سیم مواد از یک نازل اکسترود شده بود، ساختارهای مداوم. با استفاده از این روش می توان ساختارهای بین سازنده را تغییر داد. با روش توسعه یافته در آزمایشگاه پانات، محققان قادر به چاپ سه بعدی الکترودهای باتری به وسیله جمع آوری سریع قطرات فردی به صورت یک به یک به ساختارهای سه بعدی می باشند. ساختارهای حاصل از آنها با استفاده از روش های اکستروژن معمول ساخته شده اند.

پانات می گوید: "از آنجا که این قطرات از یکدیگر جدا می شوند، ما می توانیم این هندسه های پیچیده جدید ایجاد کنیم." "اگر این تنها جریان مواد بود، همانطور که در مورد چاپ اکستروژن است، ما قادر نخواهیم بود که آنها را بسازیم. این یک چیز جدید است. باور نمی کنم کسی تا به حال از چاپ سه بعدی استفاده کرده باشد این گونه ساختارهای پیچیده را ایجاد کنید. "

این روش انقلابی برای الکترونیک مصرفی، صنعت دستگاه های پزشکی و همچنین کاربردهای هوا فضا بسیار مهم است. این تحقیق با دستگاه های الکترونیکی پزشکی بیومدیک، که در آن نیاز به باتری های مینیاتوری ضروری است، هماهنگ خواهد شد. این میکرو دستگاه های غیر بیولوژیکی الکترونیکی نیز از این کار بهره مند خواهند شد. و در مقیاس بزرگ، دستگاه های الکترونیکی، هواپیماهای بدون سرنشین کوچک و برنامه های کاربردی هوا فضا می توانند از این تکنولوژی به علت وزن کم و ظرفیت بالا باتری های چاپ شده با استفاده از این روش استفاده کنند.

باتری TAC پشتیبانی از باتری لیتیوم یون های مختلف از جمله باتری لیتیوم پلیمر استوانه ای و lifepo4 و بسته