(圖片來源:sciencedirect)
鋰離子
電池具有功率強、能量密度高和使用壽命長等優(yōu)勢。據(jù)外媒報道,一項新研究探討鋰離子
電池在3D打印中的應(yīng)用。
對大容量電池系統(tǒng)的需求,如電動汽車中使用的系統(tǒng),現(xiàn)在可以通過在電池模塊中加入數(shù)百或數(shù)千個普通電芯來滿足。在這種情況下,需要解決空間利用問題。管理此類電池存儲,挑戰(zhàn)在于精確控制電芯能量和電池狀態(tài)。為了解決這些問題,可以考慮兩種方法:改善所涉及材料的電化學(xué)特性,或者優(yōu)化電池和設(shè)備的結(jié)構(gòu)。就后者而言,使用多功能電池,除了電氣用途,還具有結(jié)構(gòu)用途,旨在降低整個系統(tǒng)的體積和重量。
事實上,采用具有特定形狀的電池,以適應(yīng)電子設(shè)備內(nèi)部的特定位置,可能是有用的方法。通過優(yōu)化活性材料數(shù)量,提高整個系統(tǒng)的能量密度。近十年來,已經(jīng)開發(fā)出了各種各樣的解決方案,通過開發(fā)具有更大表面積的電極,如帶交叉形電極的鋰離子電池,提高設(shè)備的功率密度和能量。然而,大多數(shù)商用電芯類型的幾何形狀范圍非常有限,限制了通過改變電池存儲實現(xiàn)適應(yīng)性。
鋰離子電池熔絲的制備
與傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝相比,3D打印的功率設(shè)備及其元件,在這一領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢,可以開發(fā)具有高表面積的電極,或制造具有適合特定產(chǎn)品設(shè)計的幾何形狀設(shè)備,并優(yōu)化工藝中活性材料的數(shù)量。熔絲制造 (FFF) 是一種可行且低成本的鋰離子電池制造方法,在不同技術(shù)中可用于制造具有定制幾何結(jié)構(gòu)的鋰離子電池。比起需要使用有機粘結(jié)劑的標準復(fù)合電極,全陶瓷電極具有更高的能量密度,因此,將陶瓷FFF應(yīng)用于電極領(lǐng)域,可能是一項有價值的技術(shù)。
此項研究詳細介紹了通過FFF 3D打印復(fù)合長絲和燒結(jié)法,制備全陶瓷LTO負極和LCO電極,并對打印電極的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率、相穩(wěn)定性和電化學(xué)性能進行了詳細的分析。通過這種方法制備的3D打印LTO和LCO電極,具有與單軸壓制陶瓷顆粒相同的電導(dǎo)率,分別顯示168和129mAh g-1,為理論容量的96%和94%。
無論是在個人還是工業(yè)層面上,熔絲制造都是應(yīng)用最廣泛的增材制造創(chuàng)新方法,因其具有易用性、大規(guī)模制造能力,可以利用多種商用材料、低成本組件和3D打印設(shè)備。其他一些常見方法,如直寫成型技術(shù)DIW或光聚合(vat polymerization)工藝,能夠提供更好的分辨率,但存儲和管理墨水和樹脂原材料更加困難?赡艹霈F(xiàn)退化和穩(wěn)定問題,特別是在使用漿料的情況下,因為固體載荷需要凝聚/沉淀,樂觀的結(jié)果是采用中間重構(gòu)過程。
FFF應(yīng)用方法
另一方面,F(xiàn)FF采用固體熱塑性長絲,在使用前可以真空保存。此外,與DIW或光聚合方法不同,在這些長絲上可以直接加入固體填料/孔前體,而且在3D打印過程中不會產(chǎn)生任何實質(zhì)性的改變。FFF技術(shù)也是多材料打印機領(lǐng)域最復(fù)雜的系統(tǒng)之一。
最近商業(yè)領(lǐng)域引入石墨烯/PLA復(fù)合長絲等許多材料,并通過一系列研究利用這些材料來制造石墨烯基鋰離子電池負極,然而可用于電化學(xué)裝置的商用FFF原料長絲有限。DIW,即直寫成型技術(shù),在3D打印過程中存在重大問題,比如以墨水為原材料,存在長期儲存問題,而且比FFF中使用的長絲更難管理。這項研究推進了創(chuàng)建FFF 3D打印鋰離子電池,這些電池具有通常與DIW有關(guān)的微特征。
(責任編輯:子蕊)