一种革命性的3d打印电池电极的新方法

添加剂制造，也称3d打印，可以用来制造锂离子电池的多孔电极——但由于制造过程的性质，这些3d打印电极的设计仅限于少数几种可能的结构。到目前为止，通过加法制造生产出最佳多孔电极的内部几何结构是所谓的“交叉几何”——金属尖头像两只紧握的手的手指一样交叉在一起，锂在两边穿梭。

如果在微尺度上，锂离子电池的电极有孔洞和通道，那么它的容量将会大大提高。虽然它确实允许锂在充电和放电过程中有效地通过电池，但它并不是最佳的。

卡内基梅隆大学机械工程副教授拉胡尔·帕纳特和来自卡内基梅隆大学的研究团队与密苏里科技大学合作，开发了一种革命性的3d打印电池电极的新方法，这种方法可以创造出具有可控孔隙度的三维微晶格结构。研究人员在发表在《添加剂制造》杂志上的一篇论文中指出，3d打印这种微晶格结构大大提高了锂离子电池的容量和充放电率。

Panat说:“对于锂离子电池来说，多孔结构的电极可以带来更高的充电能力。”“这是因为这样的结构使得锂能够穿透电极体积，从而获得很高的电极利用率，从而具有更高的储能能力。”在普通电池中，30% -50%的总电极容量未被利用。我们的方法克服了这个问题，通过使用3D打印技术，我们创造了一个微点阵电极结构，允许锂通过整个电极的高效运输，这也增加了电池的充电率。

在Panat的论文中提出的加性制造方法代表了3d电池结构复杂几何图形打印技术的一个重大进步，同时也是向几何优化三维电化学储能结构迈出的重要一步。研究人员估计，这项技术将在大约2-3年内转化为工业应用。

作为锂离子电池电极的微点阵结构(Ag)被证明可以在几个方面提高电池性能，比如比固体块电极的容量增加四倍，面积容量增加两倍。此外，电极在40个电化学循环后仍保持其复杂的三维晶格结构，证明了它们的机械鲁棒性。因此，电池可以具有同样重量的高容量，或者是同样的容量，可以大大减轻重量——这是运输应用的一个重要属性。

卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon)的研究人员开发了自己的3d打印方法，利用气溶胶喷射式3d打印系统的现有功能，创造出多孔微晶格结构。气溶胶喷射系统还能让研究人员在微尺度上打印平面传感器和其他电子设备。今年早些时候，卡内基梅隆大学工程学院(Carnegie Mellon University's College of Engineering)部署了该系统。

到目前为止，3d打印电池的努力仅限于挤压打印，即把一根材料线从喷嘴挤出来，形成连续的结构。这种方法可以实现指间结构。通过在Panat实验室开发的方法，研究人员能够通过快速将单个液滴组装成三维结构来打印电池电极。所得到的结构具有复杂的几何结构，用典型的挤压方法是不可能制造出来的。

“因为这些液滴彼此分离，我们可以创造这些新的复杂的几何图形，”Panat说。“如果这是一种单一的材料流，就像挤压印刷那样，我们将无法制造它们。”这是一件新鲜事。我相信直到现在还没有人用3d打印技术创造出这种复杂的结构。

这种革命性的方法将对消费电子产品、医疗设备行业以及航空航天应用非常重要。这项研究将与生物医学电子设备很好地结合在一起，而生物医学电子设备需要小型化电池。非生物电子微器件也将从这项工作中受益。在更大的范围内，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，因为使用这种方法打印的电池重量低、容量大。