Mencetak 3D baterai Lithium generasi berikutnya

August 14, 2018

Ringkasan: Pencetakan 3D dapat digunakan untuk memproduksi elektroda berpori untuk baterai lithium-ion - tetapi karena sifat proses manufaktur, desain elektroda yang dicetak 3D ini terbatas hanya pada beberapa kemungkinan arsitektur. Sampai saat ini, geometri internal yang menghasilkan elektroda berpori terbaik melalui manufaktur aditif adalah apa yang dikenal sebagai geometri interdigitated - metal prongs interlocked seperti jari-jari dua tangan yang tergenggam, dengan litium bolak-balik antara kedua sisi.

Kapasitas baterai lithium-ion dapat jauh lebih baik jika, pada skala mikro, elektroda mereka memiliki pori-pori dan saluran. Geometri interdigitated, meskipun memungkinkan lithium untuk mengangkut melalui baterai secara efisien selama pengisian dan pemakaian, tidak optimal.

Rahul Panat, seorang profesor teknik mesin di Carnegie Mellon University, dan tim peneliti dari Carnegie Mellon bekerjasama dengan Universitas Sains dan Teknologi Missouri telah mengembangkan metode baru yang revolusioner dari elektroda baterai pencetakan 3-D yang menciptakan 3-D struktur mikrolattice dengan porositas yang terkontrol. 3-D mencetak struktur mikrolattis ini, para peneliti menunjukkan dalam sebuah makalah yang diterbitkan di jurnal Additive Manufacturing , sangat meningkatkan kapasitas dan tingkat pengisian-biaya untuk baterai lithium-ion.

"Dalam kasus baterai lithium-ion, elektroda dengan arsitektur berpori dapat menyebabkan kapasitas muatan lebih tinggi," kata Panat. "Ini karena arsitektur semacam itu memungkinkan lithium menembus volume elektroda yang menyebabkan penggunaan elektroda sangat tinggi, dan dengan demikian kapasitas penyimpanan energi yang lebih tinggi. Dalam baterai normal, 30-50% dari total volume elektroda tidak digunakan. Metode kami mengatasi masalah ini. dengan menggunakan pencetakan 3D di mana kita membuat arsitektur elektroda mikrolatrik yang memungkinkan pengangkutan lithium yang efisien melalui seluruh elektroda, yang juga meningkatkan tingkat pengisian baterai. "

Metode pembuatan aditif yang disajikan dalam kertas Panat merupakan kemajuan besar dalam pencetakan geometri kompleks untuk arsitektur baterai 3-D, serta langkah penting menuju konfigurasi 3-D geometris untuk penyimpanan energi elektrokimia. Para peneliti memperkirakan bahwa teknologi ini akan siap untuk menerjemahkan ke aplikasi industri dalam waktu sekitar 2-3 tahun.

Struktur microlattice (Ag) digunakan sebagai elektroda baterai lithium-ion ditunjukkan untuk meningkatkan kinerja baterai dalam beberapa cara seperti peningkatan empat kali lipat dalam kapasitas tertentu dan peningkatan dua kali lipat dalam kapasitas areal bila dibandingkan dengan elektroda blok padat (Ag). Selanjutnya, elektroda mempertahankan struktur kisi 3D kompleks mereka setelah empat puluh siklus elektrokimia menunjukkan kekuatan mekanik mereka. Dengan demikian baterai dapat memiliki kapasitas yang tinggi untuk berat yang sama atau secara bergantian, untuk kapasitas yang sama, berat yang sangat berkurang - yang merupakan atribut penting untuk aplikasi transportasi.

Para peneliti Carnegie Mellon mengembangkan metode pencetakan 3-D mereka sendiri untuk menciptakan arsitektur microlattice berpori sembari memanfaatkan kemampuan yang ada dari sistem pencetakan Aerosol Jet 3-D. Sistem Jet Aerosol juga memungkinkan para peneliti untuk mencetak sensor planar dan elektronik lainnya pada skala mikro, yang dikerahkan di Carnegie Mellon University College of Engineering awal tahun ini.

Hingga saat ini, upaya cetak baterai 3-D terbatas pada pencetakan berbasis ekstrusi, di mana kawat material diekstrusi dari nosel, menciptakan struktur kontinyu. Struktur interdigitated dimungkinkan menggunakan metode ini. Dengan metode yang dikembangkan di laboratorium Panat, para peneliti mampu 3-D mencetak elektroda baterai dengan secara cepat merakit tetesan individu satu per satu ke dalam struktur tiga dimensi. Struktur yang dihasilkan memiliki geometri kompleks yang mustahil untuk dibuat menggunakan metode ekstrusi khas.

"Karena tetesan ini terpisah satu sama lain, kita dapat menciptakan geometri kompleks baru ini," kata Panat. "Jika ini adalah aliran tunggal materi, seperti dalam kasus pencetakan ekstrusi, kita tidak akan bisa membuatnya. Ini adalah hal baru. Saya tidak percaya siapa pun sampai sekarang telah menggunakan pencetakan 3-D untuk buat struktur rumit semacam ini. "

Metode revolusioner ini akan sangat penting untuk elektronik konsumen, industri peralatan medis, serta aplikasi kedirgantaraan. Penelitian ini akan terintegrasi dengan baik dengan perangkat elektronik biomedis, di mana baterai miniatur diperlukan. Mikro-perangkat elektronik non-biologis juga akan mendapat manfaat dari pekerjaan ini. Dan pada skala yang lebih besar, perangkat elektronik, drone kecil, dan aplikasi aerospace sendiri dapat menggunakan teknologi ini juga, karena beratnya yang rendah dan kapasitas tinggi dari baterai yang dicetak menggunakan metode ini.

BATERAI TAC Mendukung berbagai baterai lithium-ion termasuk dari baterai lithium polimer dan sel baterai lifepo4 dan pak