3D que imprime la siguiente generación de baterías de litio

Resumen: la impresión 3D se puede utilizar para fabricar los electrodos porosos para las baterías de ión de litio -- pero debido a la naturaleza del proceso de fabricación, el diseño de estos electrodos impresos 3D se limita apenas a algunas arquitecturas posibles. Hasta ahora, la geometría interna que produjo los mejores electrodos porosos con la fabricación aditiva era qué se conoce como geometría interdigitated -- los dientes del metal entrelazaron como los fingeres de dos manos abrochadas, con el litio ir y entre los dos lados.

La capacidad de la batería de ión de litio puede ser mejorada sumamente si, en la microescala, sus electrodos tienen poros y canales. Una geometría interdigitated, aunque permite que el litio transporte a través de la batería eficientemente durante la carga y la descarga, no es óptima.

Rahul Panat, profesor adjunto de la ingeniería industrial en el Carnegie Mellon University, y equipo de investigadores del Carnegie Mellon en colaboración con la universidad de ciencia y tecnología de Missouri ha desarrollado un nuevo método revolucionario de electrodos tridimensionales de la batería de la impresión que crea una estructura tridimensional del microlattice con porosidad controlada. la impresión tridimensional esta estructura del microlattice, los investigadores muestra en un papel publicado en la fabricación aditiva del diario, mejora sumamente las tarifas de la capacidad y de la carga-descarga para las baterías de ión de litio.

“En el caso de las baterías de ión de litio, los electrodos con arquitecturas porosas pueden llevar más arriba para cargar capacidades,” dice Panat. “Esto es porque tales arquitecturas permiten que el litio penetre a través del volumen del electrodo que lleva a la utilización muy alta del electrodo, y memoria de una energía de tal modo más alta. En baterías normales, 30-50% del volumen total del electrodo es no utilizado. Nuestro método supera este problema usando la impresión 3D donde creamos una arquitectura del electrodo del microlattice que permita el transporte eficiente del litio a través del electrodo entero, que también aumenta las tarifas de la carga de batería.”

El método de fabricación aditivo presentado en el papel de Panat representa un avance importante en la impresión de las geometrías complejas para las arquitecturas tridimensionales de la batería, así como un paso importante hacia geométrico la optimización de las configuraciones tridimensionales para el almacenamiento de energía electroquímico. Los investigadores estiman que esta tecnología estará lista para traducir a los usos industriales en cerca de 2-3 años.

La estructura del microlattice (AG) usada mientras que los electrodos de las baterías de ión de litio fueron mostrados para mejorar funcionamiento de la batería de varias maneras tales como un aumento cuádruple en capacidad específica y un aumento doble en capacidad regional cuando estaban comparados a un electrodo sólido del bloque (AG). Además, los electrodos conservaron sus estructuras de enrejado complejas 3D después de cuarenta ciclos electroquímicos que demostraban su robustez mecánica. Las baterías pueden así tener alta capacidad para el mismo peso o alternativamente, para la misma capacidad, un peso sumamente reducido -- cuál es una cualidad importante para los usos del transporte.

Los investigadores del Carnegie Mellon desarrollaron su propio método tridimensional de la impresión para crear las arquitecturas porosas del microlattice mientras que leveraging las capacidades existentes de un sistema de impresión tridimensional del jet del aerosol. El sistema del jet del aerosol también permite que los investigadores impriman los sensores planares y la otra electrónica en una microescala, que fue desplegada en la universidad de universidad del Carnegie Mellon de dirigir a principios de este año.

Hasta ahora, esfuerzos impresos tridimensionales de la batería fueron limitados a la impresión protuberancia-basada, donde un alambre del material se saca de una boca, creando las estructuras continuas. Las estructuras de Interdigitated eran posibles usando este método. Con el método desarrollado en el laboratorio de Panat, los investigadores pueden a la impresión tridimensional los electrodos de la batería rápidamente montando gotitas individuales uno a uno en las estructuras tridimensionales. Las estructuras resultantes tienen geometrías complejas imposibles fabricar usando métodos típicos de la protuberancia.

“Porque estas gotitas se separan de uno a, podemos crear estas nuevas geometrías complejas,” dice Panat. “Si esto fuera una sola corriente del material, como está en el caso de la impresión de la protuberancia, no podríamos hacerlas. Esto es una nueva cosa. No creo que cualquiera hasta ahora ha utilizado la impresión tridimensional para crear estas clases de estructuras complejas.”

Este método revolucionario será muy importante para los productos electrónicos de consumo, la industria de los aparatos médicos, así como los usos aeroespaciales. Esta investigación integrará bien con los dispositivos electrónicos biomédicos, donde se requieren las baterías miniaturizadas. Los micro-dispositivos electrónicos no biológicos también se beneficiarán de este trabajo. Y en una escala más grande, los dispositivos electrónicos, los pequeños abejones, y los usos aeroespaciales ellos mismos pueden utilizar esta tecnología también, debido al peso bajo y a la alta capacidad de las baterías impresas usando este método.

Incluir de la batería de ión de litio de la ayuda de la BATERÍA de TAC el diverso del litio del polímero y de la célula y del paquete cilíndricos de batería lifepo4