3D imprimant la prochaine génération des batteries au lithium

August 14, 2018

Résumé : l'impression 3D peut être employée pour fabriquer les électrodes poreuses pour des batteries lithium-ion -- mais en raison de la nature du processus de fabrication, la conception de ces électrodes imprimées par 3D est limitée juste à quelques architectures possibles. Jusqu'ici, la géométrie interne qui a produit les meilleures électrodes poreuses par la fabrication additive était ce qui est connu comme géométrie interdigitated -- les fourches en métal ont enclenché comme les doigts de deux mains étreintes, avec le lithium faisant la navette entre les deux côtés.

 

 

La capacité de batterie lithium-ion peut être énormément améliorée si, sur la micro-échelle, leurs électrodes ont des pores et des canaux. Une géométrie interdigitated, bien qu'elle permette au lithium de transporter par la batterie efficacement pendant le remplissage et la décharge, n'est pas optimale.

 

Rahul Panat, un professeur agrégé de l'industrie mécanique au Carnegie Mellon University, et une équipe des chercheurs du Carnegie Mellon en collaboration avec l'Université Polytechnique du Missouri ont développé une nouvelle méthode révolutionnaire d'électrodes à trois dimensions de batterie d'impression qui crée une structure à trois dimensions de microlattice avec la porosité commandée. l'impression à trois dimensions cette structure de microlattice, les chercheurs montrent dans un document édité à la fabrication additive de journal, améliorent énormément les taux de capacité et de charge-décharge pour des batteries lithium-ion.

« Dans le cas des batteries lithium-ion, les électrodes avec des architectures poreuses peuvent mener pour charger plus haut des capacités, » dit Panat. « C'est parce que de telles architectures permettent au lithium de pénétrer par le volume d'électrode menant à l'utilisation très élevée d'électrode, et capacité de stockage d'énergie de ce fait plus haute. Dans des batteries normales, 30-50% de tout le volume d'électrode est non utilisé. Notre méthode surmonte cette question à l'aide de l'impression 3D où nous créons une architecture d'électrode de microlattice qui permet le transport efficace du lithium par l'électrode entière, qui augmente également les taux de chargement de batterie. »

La méthode de fabrication additive présentée en papier de Panat représente une avancée majeure en imprimant les géométries complexes pour des architectures à trois dimensions de batterie, aussi bien qu'une étape importante vers optimiser géométriquement des configurations à trois dimensions pour le stockage de l'énergie électrochimique. Les chercheurs estiment que cette technologie sera prête à traduire aux applications industrielles pendant environ 2 ou 3 années.

La structure de microlattice (AG) utilisée pendant que les électrodes des batteries lithium-ion étaient montrées pour améliorer des performances de batterie de plusieurs manières telles qu'une augmentation quadruple de capacité spécifique et une augmentation double de capacité régionale une fois comparées à une électrode solide du bloc (AG). En outre, les électrodes ont maintenu leurs structures de trellis 3D complexes après quarante cycles électrochimiques démontrant leur robustesse mécanique. Les batteries peuvent avoir ainsi la capacité élevée pour le même poids ou alternativement, pour la même capacité, un poids énormément réduit -- ce qui est un attribut important pour des applications de transport.

Les chercheurs de Carnegie Mellon ont développé leur propre méthode à trois dimensions d'impression pour créer les architectures poreuses de microlattice tout en accroissant les capacités existantes d'un aérosol voyagent en jet le système d'impression à trois dimensions. Le système de jet d'aérosol permet également aux chercheurs d'imprimer les capteurs planaires et toute autre électronique sur une micro-échelle, qui a été déployée au centre d'enseignement supérieur de Carnegie Mellon de la construction plus tôt cette année.

Jusqu'ici, des efforts imprimés à trois dimensions de batterie ont été limités à l'impression basée sur extrusion, où un fil de matériel est expulsé d'un bec, créant les structures continues. Les structures d'Interdigitated étaient possibles suivre cette méthode. La méthode étant développé dans le laboratoire de Panat, les chercheurs peuvent à la copie à trois dimensions les électrodes de batterie en assemblant rapidement différentes gouttelettes un par un dans les structures tridimensionnelles. Les structures en résultant ont les géométries complexes impossibles à fabriquer suivre des méthodes typiques d'extrusion.

« Puisque ces gouttelettes sont séparées entre eux, nous pouvons créer ces nouvelles géométries complexes, » dit Panat. « Si c'était un courant simple de matériel, comme est dans le cas de l'impression d'extrusion, nous ne pourrions pas les faire. C'est une nouvelle chose. Je ne crois pas que quiconque jusqu'ici a employé l'impression à trois dimensions pour créer ces genres de structures complexes. »

Cette méthode révolutionnaire sera très importante pour l'électronique grand public, l'industrie de dispositifs médicaux, aussi bien que les applications aérospatiales. Cette recherche intégrera bien avec les appareils électroniques biomédicaux, où des batteries miniaturisées sont exigées. Les micro-dispositifs électroniques sans enzymes tireront bénéfice également de ce travail. Et sur une plus grande échelle, les appareils électroniques, les petits bourdons, et les applications aérospatiales elles-mêmes peuvent employer cette technologie aussi bien, en raison du bas poids et de la capacité élevée des batteries imprimées suivre cette méthode.

 

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