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研究人员创造3D打印电池,重量轻,容量大,将有利于医疗设备和航

2019-01-30 19:00 | admin | 未知

添加剂制造(也称为3D打印)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3D印刷电极的设计局限于几种可能的架构。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。——金属插件就像一根手握住双手,交叉锁定,锂在两侧之间穿梭。

研究人员创造3D打印电池,重量轻,容量大,将有利于医疗设备和航空业

在微观尺度上,如果锂离子电池的电极具有孔隙和通道,则其容量可以大大增加。交叉几何形状虽然确实允许锂在充电和放电期间有效地传输通过电池,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大学科技大学合作开发了一种革命性的新方法,即3D打印电池电极,可产生可控的孔隙度。 3D微晶格结构。在发表在“增材制造杂志”上的一篇论文中,研究人员展示了这种微晶格结构的3D打印,大大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,从而产生非常高的电极利用率并改善能量储存。”容量。在普通电池中,不使用总电极体积的30-50%。我们的方法克服了这个问题。通过使用3D打印,我们创建了一种可以在整个电极上有效传输的微晶格电极结构。锂,这也增加了电池充电率。“

Panat的论文中描述的增材制造方法代表了印刷3D电池架构的复杂几何形状的显着进步,以及几何优化的电化学能量存储3D配置中的重要步骤。研究人员估计,该技术将在大约2 - 3年内准备好转换为工业应用。

用作锂离子电池的电极的微晶格结构(Ag)已经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表面容量增加两倍。 。此外,电极在40个电化学循环后保持其复杂的3D晶格结构,证明了它们的机械强度。因此,电池可以具有相同容量的高容量或相同容量,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,以创建多孔微格结构,同时利用AerosolJet3D打印系统的现有功能。气溶胶注入系统还允许研究人员在微观层面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在卡内基梅隆大学工程学院部署。迄今为止,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以形成连续结构。使用这种方法可以实现交叉结构。通过Panat Labs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3D打印电池电极。所得到的结构具有复杂的几何形状,使用典型的挤出方法不可能制造。

“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,”帕纳特说。 “如果这是一种单一的材料流,就像在挤压印刷的情况下,我们无法制造它们。这是一件新鲜事。我不相信,直到现在有人用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产品、医疗器械行业以及航空航天应用非常重要。该研究将与需要微型电池的生物医学电子产品很好地集成。非生物电子微器件也将受益于这项工作。由于以这种方式印刷的电池重量轻,、的容量很大,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。



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