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.
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.
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.
