3D druk de volgende generatie van Lithiumbatterijen

August 14, 2018

Samenvatting: 3D druk kan worden gebruikt om poreuze elektroden voor lithium-ionenbatterijen te vervaardigen -- maar wegens de aard van het productieproces, is het ontwerp van deze 3D gedrukte elektroden beperkt tot enkel een paar mogelijke architectuur. Tot nu toe, de interne meetkunde die de beste poreuze elektroden door additief vervaardigend produceerde was wat als interdigitated meetkunde gekend is -- de metaalrieken als de vingers van twee met elkaar worden verbonden clasped handen, met het lithium dat tussen de twee kanten shuttling die.

 

 

De lithium-ionenbatterijcapaciteit kan enorm worden verbeterd als, op de micro-schaal, hun elektroden poriën en kanalen hebben. Interdigitated meetkunde, hoewel het lithium om door de batterij efficiënt tijdens het laden en het lossen toestaat te vervoeren, is niet optimaal.

 

Rahul Panat, een verwante professor van werktuigbouw bij Carnegie Mellon University, en een team van onderzoekers van Carnegie Mellon in samenwerking met de Universiteit van Missouri van Wetenschap en Technologie heeft een revolutionaire nieuwe methode van 3-D elektroden ontwikkeld van de drukbatterij die tot een 3-D microlatticestructuur met gecontroleerde poreusheid leidt. 3-D druk deze die microlatticestructuur, de onderzoekers in een document in de dagboek Bijkomende Productie wordt gepubliceerd toont, verbetert capaciteits en enorm de last-lossing tarieven voor lithium-ionenbatterijen.

„In het geval van lithium-ionenbatterijen, kunnen de elektroden met poreuze architectuur tot hogere lastencapaciteiten leiden,“ zegt Panat. „Dit is omdat dergelijke architectuur toestaat het lithium om door het elektrodenvolume te doordringen dat tot zeer hoog elektrodengebruik leidt, en daardoor de capaciteit van de hogere energieopslag. In normale batterijen, is 30-50% van het totale elektrodenvolume ongebruikt. Onze methode overwint deze kwestie door 3D druk te gebruiken waar wij een architectuur creëren van de microlatticeelektrode die het efficiënte vervoer van lithium door de volledige elektrode toestaat, die ook de batterij factuurprijzen.“ verhoogt

De bijkomende die productiemethode in het document van Panat wordt voorgesteld vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in druk complexe meetkunde voor 3-D batterijarchitectuur, evenals een belangrijke stap naar geometrisch het optimaliseren van 3-D configuraties voor elektrochemische energieopslag. De onderzoekers schatten dat deze technologie klaar om aan industriële toepassingen in ongeveer 2-3 jaar zal zijn te vertalen.

De microlatticestructuur (Ag) als elektroden van lithium-ionenbatterijen wordt werd gebruikt getoond om batterijprestaties te verbeteren op verscheidene manieren zoals een viervoudige verhoging van specifieke capaciteit en een tweevoudige verhoging van gebiedscapaciteit wanneer vergeleken bij een stevige blok (Ag) elektrode die. Voorts behielden de elektroden hun complexe 3D roosterstructuren na veertig elektrochemische cycli die hun mechanische robuustheid aantonen. De batterijen kunnen hoge capaciteit voor hetzelfde gewicht of afwisselend, voor dezelfde capaciteit, een enorm verminderd gewicht zo hebben -- welke een belangrijk attribuut voor vervoerstoepassingen is.

De Carnegie Mellononderzoekers ontwikkelden hun eigen 3-D drukmethode om de poreuze microlatticearchitectuur tot stand te brengen terwijl het leveraging van de bestaande mogelijkheden van een systeem van de Aërosol Straal 3-D druk. Het aërosol Straalsysteem staat ook de onderzoekers toe om vlaksensoren en andere elektronika op een micro-schaal te drukken, die bij de Universiteit van de Carnegie Mellonuniversiteit van Techniek eerder dit jaar werd opgesteld.

Tot nu toe, waren 3-D gedrukte batterijinspanningen beperkt tot op uitdrijving-gebaseerde druk, waar een draad van materiaal van een pijp wordt uitgedreven, creërend ononderbroken structuren. De Interdigitatedstructuren waren mogelijk gebruikend deze methode. Met de methode in het laboratorium van Panat wordt ontwikkeld, kunnen de onderzoekers aan 3-D druk de batterijelektroden door individuele druppeltjes in driedimensionele structuren één voor één snel te assembleren die. De resulterende structuren hebben complexe meetkunde onmogelijk om het gebruiken van typische uitdrijvingsmethodes te vervaardigen.

„Omdat deze druppeltjes van elkaar gescheiden zijn, kunnen wij deze nieuwe complexe meetkunde tot stand brengen,“ zegt Panat. „Als dit één enkele stroom van materiaal was, zoals in het geval van uitdrijvingsdruk is, zouden wij niet hen kunnen maken. Dit is een nieuw ding. Ik geloof niet om het even wie tot nu toe 3-D druk heeft gebruikt om deze soorten complexe structuren tot stand te brengen.“

Deze revolutionaire methode zal voor de elektronika van de consument, de medische apparatenindustrie, evenals ruimtevaarttoepassingen zeer belangrijk zijn. Dit onderzoek zal goed met de biomedische elektronische apparaten integreren, waar de verkleinde batterijen worden vereist. De niet-biologische elektronische micro-apparaten zullen ook van dit werk profiteren. En op een grotere schaal, elektronische apparaten, kleine hommels, en ruimtevaarttoepassingen zelf kan deze technologie ook gebruiken, wegens het lage gewicht en de hoge capaciteit gedrukte batterijen gebruikend deze methode.

 

TAC-het diverse lithium-ionen de batterij van de BATTERIJsteun omvatten van het cilindrische polymeerlithium en de batterijcel en het pak van lifepo4