锂离子电池新时代——3D打印技术打印电极

图片来源：卡内基梅隆大学工程学院的Rahul Panat提供

      如图所示：晶格结构可以为在材料体积内有效输送电解质提供通道，而对于立方体电极，大多数材料不会暴露在电解质中。横截面视图显示了银网结构，其可以使电荷（Li ）能够传输到集电器，同时还显示了大多数印刷材料的使用情况。

      3D打印可用于制造锂离子电池的多孔电极——但由于制造工艺的性质，这些3D打印电极的设计仅限于几种可能的电池结构。到目前为止，通过增材制造产生的最佳多孔电极的内部几何形状是所谓的交叉几何形状，即金属插脚像两个紧握的手指那样相互连锁，锂离子在双方之间穿梭。

      如果在微观尺度上，锂离子电池的电极具有孔隙和通道，那么锂离子电池容量可以大大提高。这种交叉几何形状，虽然它确实允许锂离子在充电和放电期间有效地通过电池传输，但效果并不是最佳的。

      卡内基梅隆大学机械工程系副教授Rahul Panat以及该学校的一组研究人员与密苏里科技大学共同合作，他们开发了一种具有革命性的3D打印电池电极的新方法，使用这种3D打印技术产生具有可控孔隙率的三维的微晶格结构。研究人员将这一科研成果发表在了“Additive Manufacturing”杂志上，论文中展示了利用新方法产生的这种三维的微晶格结构，极大地提高了锂离子电池的容量和充放电速率。

      “对于锂离子电池，具有多孔结构的电极可以带来更高的充电容量。”Panat说。“这是因为这种结构允许锂穿透电极体积，从而导致极高的电极利用率，从而提高电池的储能容量。在普通电池中，总电极体积的30-50％未被利用。通过使用3D打印技术，我们克服了这个难题，我们创建了一个微晶格电极结构，从而允许锂在整个电极上高效地进行传输，这也提高了电池的充电速率。“

      Panat的论文中介绍的增材制造方法代表了三维电池结构复杂几何形状印刷的重大进步，也是实现电化学储能三维构型几何优化的重要一步。研究人员估计，该技术将准备在大约2—3年内转化为工业应用。

      用作锂离子电池的电极的微晶格结构（Ag），与固体块（Ag）电极相比，可以在很多方面改善电池性能。例如，比容量增加4倍并且面积容量增加2倍。此外，电极在40个电化学循环后还能保持其复杂的3D晶格结构，证明了它们的机械强度。因此，这种新型结构的电池在相同重量下，具有比以往电池更高的容量；或者在相同的容量情况下，我们可以大大减轻电池的重量，这在运输应用中是非常有意义的重要属性。

      卡内基梅隆大学的研究人员开发了他们自己的3D打印方法，同时利用气溶胶喷射3D打印系统的现有功能，以创建多孔微晶格结构。气溶胶喷射系统还允许研究人员在微观尺度上印刷平面传感器和其他电子设备，该设备于今年早些时候部署在卡内基梅隆大学工程学院。

      到目前为止，3D打印电池的工作仅限于基于挤出的打印，即从喷嘴中挤出材料的丝，形成连续的结构。使用这种方法可以实现交叉结构。通过在Panat实验室开发的方法，研究人员能够通过将各个液滴逐个快速地组装成三维结构来对电池电极进行3D打印。所得到的结构具有复杂的几何形状，使用典型挤出方法是不可能制造出来的。

      “因为这些液滴彼此分离，我们可以创造出这些新的复杂的几何形状，”Panat说。 “如果这是一种单一的材料流，在挤压印刷的情况下，我们就无法制造复杂的几何形状。我们的这种方法是一个新事物。我相信，到目前为止，还没有人用3D打印技术创造出这些复杂的结构。“

      这种革命性的方法对于消费电子，医疗设备行业以及航空航天应用都是非常重要的。该研究将与需要微型电池的生物医学电子设备很好地结合在一起。非生物电子微器件也将从这项工作中受益。由于使用这种方法印刷的电池重量轻，容量大，在电子设备，小型无人机和航空航天应用领域本身也可以使用这项技术。