Команда инженеров из Университета Карнеги-Меллона в Пенсильвании, США, разработала новый метод 3D-печати для производства аккумуляторных электродов, который может создавать трехмерные микрорешетчатые структуры с контролируемой пористостью.
Поры и каналы в электродах могут значительно увеличить емкость и скорость зарядки / разрядки литий-ионных батарей. Чтобы создать внутреннюю геометрию для пористых электродов с помощью аддитивной обработки, ранее использовался метод, называемый взаимосвязанной геометрией. Благодаря этой взаимосвязанной геометрии, в которой металлические зубцы входят в зацепление как руки, у лития появляется больше путей для транспортировки и тем самым для зарядки или разрядки.
Чтобы революционизировать этот процесс, инженеры из Университета Карнеги-Меллона в Пенсильвании, США, объединились и разработали новый процесс 3D-печати для производства аккумуляторных электродов. С помощью этого метода теперь стало возможным создание трехмерных микрорешетчатых структур с контролируемой пористостью, которые значительно увеличивают пропускную способность и скорость зарядки / разрядки литий-ионных батарей.
Этот новый метод 3D-печати был разработан исследовательской группой под руководством Рахула Паната, доцента машиностроения в Университете Карнеги-Меллона, в сотрудничестве с Университетом науки и техники Миссури, с использованием аэрозольной струйной 3D-печати.
Исследование уже опубликовано в журнале Additive Manufacturing:
«При использовании в литий-ионных батареях электроды с пористой архитектурой могут увеличить емкость заряда», — говорит Панат. «Это связано с тем, что такие архитектуры позволяют литию проникать в объем электрода, что приводит к очень высокому коэффициенту использованию электрода и, следовательно, к более высокой емкости для хранения энергии».
В отличие от батарей, изготовленных с использованием нового процесса, обычные батареи используют всего только от 30 до 50% от общего объема электрода.
«Наш подход позволяет преодолеть эту проблему с помощью 3D-печати, где мы создаем архитектуру электрода с микрорешетками, которая обеспечивает эффективную транспортировку лития по всему электроду, что также увеличивает скорость зарядки аккумулятора», — объясняет Панат.
Исследования показали, что микрорешетчатая структура (Ag) является лучшим материалом для аккумуляторных электродов литий-ионных батарей. Микрорешетчатая структура обладает многими преимуществами, в том числе улучшенными характеристиками батареи, четырехкратным увеличением удельной мощности и двукратным увеличением площади емкости по сравнению с твердотельным блочным электродом (Ag). Исследование также показало, что сложные трехмерные решетчатые структуры электродов сохраняются даже после 40 электрохимических циклов.
Ранее при аддитивном изготовлении батарей использовалась 3D-печать на основе экструзии. Новый метод исследователей из Карнеги-Меллона основан на использовании аэрозольной струйной 3D-печати. При такой методике отдельные капли последовательно собираются в трехмерную структуру и, в отличие от 3D-печати на основе экструзии, могут создавать сложные геометрии.
«Поскольку эти капли отделены друг от друга, то мы можем создать новые сложные геометрии», — сказал Панат. «Если бы это был нераздельный поток материала, как в случае с экструзивной печатью, мы бы не смогли его создать их. Это абсолютно новая методика. Я не думаю, что кто-либо когда-либо использовал 3D-печать для создания таких сложных структур».
По словам исследователей, новая технология трехмерной печати будет готова к промышленному применению через два-три года, и прежде всего для бытовой электроники, промышленности медицинских устройств или в аэрокосмической промышленности.
Смотрите также: http://elektrovesti.net/62180_3d-pechat-pozvolit-uvelichit-emkost-litiy-ionnykh-batarey-na-30-50
Источник: https://3druck.com/forschung/neues-3d-druckverfahren-zur-herstellung-von-batterieelektroden-5872644/