3D打印下一代电池

增材制造，也称为3-D印刷，可用于制造锂离子电池的多孔电极 - 但由于制造工艺的性质，这些3-D印刷电极的设计仅限于少数几个可能的架构。到目前为止，通过增材制造产生最佳多孔电极的内部几何形状是所谓的交叉几何形状 - 金属插脚像两只双手的指状物一样互锁，锂电池在两侧之间穿梭。

如果在微观尺度上，它们的电极具有孔隙和通道，则锂离子电池容量可以大大提高。交叉几何形状虽然确实允许锂在充电和放电期间有效地通过电池输送，但并不是最佳的。

卡内基梅隆大学机械工程副教授Rahul Panat和卡内基梅隆大学的研究人员与密苏里科技大学合作开发了一种革命性的3D打印电池电极新方法，可创建3-D具有可控孔隙率的微晶格结构。研究人员在发表在Additive Manufacturing杂志上的一篇论文中展示了这种微晶格结构的三维印刷，极大地提高了锂离子电池的容量和充放电率。

“对于锂离子电池，具有多孔结构的电极可以带来更高的充电容量，”Panat说。“这是因为这种结构允许锂穿透电极体积，从而导致非常高的电极利用率，从而提高储能容量。在普通电池中，总电极体积的30-50%未被利用。我们的方法克服了这个问题通过使用3D打印，我们创建了一个微晶格电极架构，可以有效地将锂传输通过整个电极，从而提高了电池的充电速率。“

Panat的论文中介绍的增材制造方法代表了三维电池架构复杂几何形状印刷的重大进步，也是几何优化电化学储能三维配置的重要一步。研究人员估计，这项技术将在大约2 - 3年内准备好转化为工业应用。

用作锂离子电池电极的微晶格结构(Ag)显示出以几种方式改善电池性能，例如与固体块(Ag)电极相比，比容量增加四倍并且面积容量增加两倍。此外，电极在40个电化学循环后保留其复杂的3D晶格结构，证明了它们的机械强度。因此，电池可以具有相同重量的高容量，或者相同的容量，大大减轻了重量 - 这是运输应用的重要属性。

卡内基梅隆大学的研究人员开发了自己的3D打印方法，以创建多孔微晶格架构，同时利用Aerosol Jet 3-D打印系统的现有功能。气溶胶喷射系统还允许研究人员在微观尺度上印刷平面传感器和其他电子设备，该设备于今年早些时候部署在卡内基梅隆大学工程学院。

到目前为止，3D打印电池的工作仅限于基于挤出的打印，其中材料线从喷嘴挤出，形成连续的结构。使用这种方法可以实现交叉结构。通过在Panat实验室开发的方法，研究人员能够通过将各个液滴逐个快速地组装成三维结构来对电池电极进行3D打印。所得到的结构具有使用典型挤出方法不可能制造的复杂几何形状。

“因为这些液滴彼此分离，我们可以创造出这些新的复杂几何形状，”Panat说。“如果这是一个单一的材料流，就像挤压印刷的情况一样，我们就无法制造它们。这是一个新事物。我不相信任何人直到现在都使用3D打印来创造这些复杂的结构。“

这种革命性的方法对于消费电子，医疗设备行业以及航空航天应用非常重要。该研究将与需要小型化电池的生物医学电子设备很好地集成。非生物电子微器件也将从这项工作中受益。由于使用这种方法印刷的电池重量轻，容量大，电子设备，小型无人机和航空航天应用本身也可以使用这种技术。