3D-печать электродов аккумуляторов ⋆ Андириней

Новая технология производства электродов Li-Ion аккумуляторов при помощи 3D-печати

Аддитивное производство, более известное, как 3D-печать, может быть использовано для производства пористых электродов для литий-ионных батарей. Правда, специфика процесса изготовления ограничивает конфигурацию этих электродов несколькими видами. Сегодняшний материал описывает новую перспективную технологию, при помощи которой осуществляется 3D-печать электродов аккумуляторов, отличающиеся лучшими характеристиками.

На настоящий момент внутренняя структура создаваемых электродов представляет собой гребенчатую форму, которая хотя и позволяет ионам лития перемещаться при разряде и зарядке аккумулятора, но не является оптимальной. В то же время, емкость Li-ion аккумуляторов может быть существенно улучшена, если микроструктура электродов будет иметь поры и каналы иной формы.

3d_print_1

Рахул Панат (Rahul Panat), адъюнкт-профессор машиностроения в Университете Карнеги-Меллона (Carnegie Mellon University) и команда разработчиков в кооперации с Университетом науки и техники Миссури (Missouri University of Science and Technology) предложили новую, революционную технологию 3D-печати электродов с микрорешетчатой структурой с контролируемым размером пористости.

«В случае литиево-ионных батарей электроды с пористой архитектурой позволяют получить аккумуляторы большей емкости», говорит Панат. «Микрорешетчатая структура улучшает взаимодействие перемещающихся ионов лития с материалом электрода, что позволяет накопить в батарее больше энергии. Обычно порядка 30-50% объема электродов не используется. Разработанный нами метод позволяет значительно сократить это значение, повысив эффективность аккумулятора, попутно уменьшая время зарядки».

Предложенный способ использования 3D-печати представляет собой значительный прогресс в технологии создания сложных структур, а также является большим шагом в деле геометрической оптимизации трехмерных конфигураций для хранения электрохимической энергии. Разработчики считают, что данная технология будет готова к промышленному применению через 2-3 года.

Микрорешетчатая структура позволяет улучшить характеристики аккумуляторов сразу несколькими способами. В частности, в 2 раза увеличивается площадь поверхности взаимодействия электродов с электролитом, а также в 4 раза увеличивается удельная емкость. Одновременно с этим, электроды, созданные при помощи 3D-печати, демонстрируют высокую механическую прочность, сохраняя свою трехмерную структуру после 40 электрохимических циклов.

3d_print_2

Таким образом можно получить более емкий аккумулятор при сохранении существующих размеров употребляемых батарей, либо уменьшить их габариты, при этом оставить емкость, характерную для используемых сегодня аккумуляторов. Необходимость в миниатюрных и емких аккумуляторах сейчас весьма велика.

Исследователи из Carnegie Mellon, которые разрабатывают этот метод создания микрорешетчатых пористых структур, использовали возможности 3D-печати системы Aerosol Jet. Эта система позволяет получить различные планарные сенсоры и ряд других компонентов.

До настоящего времени для 3D печати использовался экструзионный метод, который накладывал свои ограничения на структуру создаваемых элементов батарей. Технология, разработанная лабораторией Паната, позволяет создавать трехмерную структуру, собирая и соединяя отдельные капли материала, из которого изготавливается электрод. В результате на выходе получается трехмерная структура, изготовление которой недоступно при использовании экструзионного метода.

«Поскольку все капли изначально отделены друг от друга, мы можем соединять их в нужной нам конфигурации», говорит Панат. «При экструзионном методе, когда исходный материал подается одним потоком, этого сделать не получится».

Новая технология может быть очень востребована для производства потребительской электроники, медицинского оборудования, в аэрокосмической промышленности. Возможность получить миниатюрные и емкие батареи очень важна при изготовлении биомедицинских электронных устройств.

По достоинству возможности, которые предоставляет эта технология, будут оценены и производителями дронов, да и любых других электронных устройств, которым требуется собственный миниатюрный, но при этом мощный источник питания.

Возможно Вам будет это интересно:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

.