CALTECH研究人员使用DLP 3D打印提高锂离子电池的性能

时间：2021-02-10 10:21 来源：中国3D打印网作者：中国3D打印网阅读：次

中国3D打印网２月10日讯，加州理工学院（Caltech）的一组研究人员开发了一种用于锂离子电池的3D打印电极的新方法。使用DLP 3D打印技术（一种基于可见光的桶式光聚合方法），研究人员能够制造复杂的聚合物结构，然后通过热后处理将其转换成有用的电极材料。最终的碳和锂钴氧化物结构分别显示为阳极和阴极，并具有出色的电池性能和稳定性。
加州理工学院的研究生Kai Narita解释说：“众所周知，聚合物的热解会导致碳的形成。我们的方法利用这种现象来制造3D碳材料。我们只需使用市售的光树脂和数字光处理印刷来创建3D聚合物结构，然后将其在1000°C的温度下热解为碳。

通过DLP打印的复杂电极几何3D。图片来自加州理工学院。
锂离子电池的局限性
        自大约50年前发明以来，锂离子电池已成为现代人类生活不可或缺的一部分，为从消费电子产品到军事卫星的各种供电。因此，在电化学领域中有大量研究专门针对提高能量存储设备的容量，同时使它们更小，更便宜和更快地充电。
         除了让我们整日坐在手机上，优质电池还对气候变化产生重大影响，因为它们可以帮助减少社会对化石燃料的依赖，并促进可再生能源的使用。不幸的是，即使是在最前沿，诸如风能和太阳能农场的电动汽车和电网规模的储能之类的应用仍然受到当前可用的能量密度和充电率的限制。
         在具有平面电极的常规锂离子电池中，能量密度（可以存储的能量数量）和功率密度（能量释放速率）通常是耦合的。例如，增加电极的质量将增加其能量密度，但由于电极厚度的增加而降低其功率密度，从而迫使离子和电子在放电前传播更大的距离。如果要解除这种关系，则可以同时提高能量存储设备的能量密度和功率密度。这就是3D打印的用武之地。

3D打印碳电极的SEM成像。图片来自加州理工学院。
3D打印助您一臂之力
        尽管近年来已经在实际应用中对3D打印进行了探索，但先前的尝试很大程度上依赖于纳米墨水挤出，而纳米墨水挤出并不能应用于高分辨率零件。另一方面，还原槽光聚合解决了分辨率问题，但由于它基于聚合物化学性质，因此通常与电极材料不兼容。
         借助DLP热解技术，加州理工学院的团队能够将两全其美的技术融为一体，并生产具有电极材料的高分辨率电极。由于该技术对复杂几何形状的亲和力，他们能够打印具有微米和纳米尺寸子结构的厚电极结构。这有效地增加了定制电极的质量负荷，同时减轻了与较长运输长度相关的功率密度问题，为高性能电池生产的新方法铺平了道路。
        研究的主要作者朱莉娅·格里尔教授总结说：“创建3D电极，对其结构设计，尺寸和现在的材料进行完全控制，使我们更加接近最终实现的目标。安全，机械坚固且高效的固态电池可扩展且可靠的制造方法。”

3D打印的碳电极层的特写。图片来自加州理工学院。

早在9月，3D打印机OEM Photocentric宣布成立了一个新部门，专门致力于开发环保3D打印电池。这家位于彼得伯勒的公司表示，它已承诺进行“重大投资”，包括一个整个研究团队，以设计和3D打印更节能的存储设备。

在其他地方，在航空航天领域，NASA的马歇尔太空飞行中心先前已授予KULR Technology Group一项双重用途技术协议，该协议可能会看到未来的太空飞行将使用3D打印备用电池组。作为合作的一部分，KULR将使用其无源传播抵抗（PPR）和内部短路（ISC）技术为人员和自主空间应用构建3D打印电池系统。

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