3D, welches die nächste Generation von Lithium-Batterien druckt

Zusammenfassung: Drucken 3D kann verwendet werden, um poröse Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien herzustellen -- aber wegen der Art des Herstellungsverfahrens, ist der Entwurf dieser 3D Druckelektroden auf gerade einig mögliche Architektur begrenzt. Bis jetzt war die interne Geometrie, die die besten porösen Elektroden durch additive Herstellung produzierte, was als interdigitated Geometrie bekannt -- Metallzinken griffen wie die Finger von zwei umklammerten Händen ineinander, wenn das Lithium zwischen die zwei Seiten hin- und herfährt.

Die Lithium-Ionen-Batterie-Kapazität kann in beträchtlichem Ausmaß verbessert werden, wenn, auf der Mikroskala, ihre Elektroden Poren und Kanäle haben. Eine interdigitated Geometrie, obwohl sie Lithium durch die Batterie während der Aufladung und der Entladung leistungsfähig transportieren lässt, ist nicht optimal.

Rahul Panat, ein außerordentlicher Professor des Maschinenbaus am Carnegie Mellon University und ein Forscherteam vom Carnegie Mellon gemeinsam mit Missouri-Hochschule für Wissenschaft und Technik haben eine revolutionäre neue Methode von 3-D Druckbatterieelektroden entwickelt, die eine 3-D microlattice Struktur mit kontrollierter Porosität schafft. 3-D Drucken diese microlattice Struktur, die Forscher zeigt in einem Papier, das in der Zeitschrift additiven Herstellung veröffentlicht wird, verbessert in beträchtlichem Ausmaß die Kapazitäts- und Gebührentladungsrate für Lithium-Ionen-Batterien.

„Im Falle der Lithium-Ionen-Batterien, können die Elektroden mit poröser Architektur zu höhere Ladekapazitäten führen,“ sagt Panat. „Dieses ist, weil solche Architektur das Lithium durch das Elektrodenvolumen eindringen lässt, das zu sehr hohe Elektrodennutzung führt, und Speicherkapazität der dadurch höheren Energie. In den normalen Körperverletzungen ist 30-50% des Gesamtelektrodenvolumens unbenutzt. Unsere Methode überwindt diese Frage, indem sie Drucken 3D verwendet, in dem wir eine microlattice Elektrodenarchitektur schaffen, die den leistungsfähigen Transport des Lithiums durch die gesamte Elektrode erlaubt, die erhöht auch die Körperverletzungsgebührensätze.“

Die additive Produktionsmethode, die in Panats Papier dargestellt wird, stellt einen grossen Fortschritt dar, wenn sie komplexe Geometrie für 3-D Batteriearchitektur sowie einen wichtigen druckt, Schritt in Richtung zu 3-D Konfigurationen für elektrochemischen Energiespeicher geometrisch optimieren. Die Forscher schätzen, dass diese Technologie bereit ist, zu den industriellen Anwendungen in ungefähr 2-3 Jahre zu übersetzen.

Die microlattice Struktur (AG) benutzt, während die Elektroden der Lithium-Ionen-Batterien gezeigt wurden, um Batterieleistung auf einige Arten wie eine vierfache Zunahme der spezifischen Kapazität und eine zweifache Zunahme der Flächenkapazität zu verbessern, als verglichen mit einer festen Elektrode des Blockes (AG). Außerdem behielten die Elektroden ihre komplexen Strukturen des Gitters 3D nach vierzig elektrochemischen Zyklen ihre mechanische Robustheit zeigend. Die Batterien können die hohe Kapazität für das gleiche Gewicht oder abwechselnd, für die gleiche Kapazität folglich haben, ein in beträchtlichem Ausmaß verringertes Gewicht -- welches ein wichtiges Attribut für Transportanwendungen ist.

Die Carnegie Mellon-Forscher entwickelten ihr eigenes 3-D Druckverfahren, um die poröse microlattice Architektur beim Wirksam einsetzen der vorhandenen Fähigkeiten eines Aerosol-Jet-3-D Drucksystems zu schaffen. Das Aerosol-Jet-System erlaubt auch den Forschern, planare Sensoren und andere Elektronik auf einer Mikroskala zu drucken, die am College der Carnegie Mellon-Universität von Anfang des Jahres ausführen eingesetzt wurde.

Bis jetzt 3-D Druckbatteriebemühungen waren begrenzt auf das Verdrängung-ansässige Drucken, in dem ein Draht des Materials von einer Düse verdrängt wird und schufen ununterbrochene Strukturen. Interdigitated-Strukturen waren unter Verwendung dieser Methode möglich. Wenn die Methode in Panats Labor entwickelt ist, sind die Forscher zum 3-D Druck die Batterieelektroden in der Lage, indem sie schnell eins nach dem anderen einzelne Tröpfchen in dreidimensionale Strukturen zusammenbauen. Die resultierenden Strukturen haben die komplexen Geometrie, die unmöglich sind, unter Verwendung der typischen Verdrängungsmethoden zu fabrizieren.

„Weil diese Tröpfchen von einander getrennt werden, können wir diese neuen komplexen Geometrie schaffen,“ sagt Panat. „Wenn dieses ein einzelner Strom des Materials war, wie im Falle des Verdrängungsdruckens ist, wir nicht in der Lage sein würden, sie zu machen. Dieses ist eine neue Sache. Ich glaube nicht, dass jeder bis jetzt 3-D Drucken verwendet hat, um diese Arten von komplexen Strukturen zu schaffen.“

Diese revolutionäre Methode ist für Unterhaltungselektronik, Industrie der medizinischen Geräte sowie Luftfahrtanwendungen sehr wichtig. Diese Forschung integriert gut mit den biomedizinischen elektronischen Geräten, in denen miniaturisierte Batterien angefordert werden. Nicht-biologische elektronische Mikrogeräte profitieren auch von dieser Arbeit. Und auf einer größeren Skala, können elektronische Geräte, kleine Brummen und Luftfahrtanwendungen selbst diese Technologie auch einsetzen, wegen des geringen Gewichts und der hohen Kapazität der Batterien, die unter Verwendung dieser Methode gedruckt werden.

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