3D-tlačené elektródy dodávajú lítiové batérie úplne nový rozmer

Anonim

3D-tlačené elektródy dodávajú lítiové batérie úplne nový rozmer

elektronika

Nick Lavars

1. augusta 2018

5 obrázkov

Nová technológia vyvinutá na univerzite Carnegie Mellon by mohla znamenať veľké veci pre lítiové batérie (Credit: Erchog / Depositphotos)

Toľko výskumu sa zameriava na kruhy lítiových batérií, ktoré sa sústreďujú na elektródy. Ako komponenty, v ktorých elektrický prúd prúdi do a von z batérie, vedci neustále vylepšujú svoj make-up a chemické reakcie, ktoré vytvárajú v snahe o lepšie fungujúce batérie. Medzi nimi sú aj výskumníci na univerzite Carnegie Mellon, ktorí prišli s novým spôsobom 3D tlačových elektród, ktoré povedú k "bezprecedentnému zlepšeniu".

Vyhľadávanie nových a vylepšených elektród lithiovej batérie prinieslo veľa sľubných možností. Tie zahŕňali umiestňovanie kremíka do klietok v graféne, rozvíjanie drobných nanočastíc a úplné nové materiály, ako napríklad SiliconX.

3D tlačiareň sa tiež ukázala ako možná cesta vpred, pretože môže byť použitá na výrobu elektród s poréznou architektúrou, ktorá ponúka dodatočné kanály pre elektrolyt, aby sa dostali do infiltrácie, čo zase prináša lepšie kapacity nabíjania. V súčasnosti je optimálna architektúra známa ako interdigitovaná geometria, ale ako to vysvetľuje Carnegie Mellon, docentka strojárstva Rahul Panat, má strop.

"Interdigitovaná geometria je naozaj pórovitá a umožňuje, aby elektrolyt prechádzal kanálmi, " hovorí New Atlas. "Je to však 2D štruktúra rozšírená na tretiu dimenziu extrúznou tlačou a existujú obmedzenia na to, ako 'vysoká ' to môže byť. "

Spoločnosť Panat a tím strojných inžinierov vyvinuli novú metódu 3D tlače, ktorá prekonáva toto obmedzenie a umožňuje mikroštrukturálne architektúry akejkoľvek veľkosti, ako je uvedené vyššie. Zahŕňa pľuvanie mikrovliek kvapôčok presne na správnu veľkosť s pravými povrchovými a zotrvačnými silami, ktoré umožňujú priľnavosť kvapôčok spôsobom, ktorý umožňuje vytvorenie zložitých 3D štruktúr.

"V dôsledku tohto rozlíšenia sa vytlačená kvapka priľne k stĺpiku skôr ako k pádu, " hovorí Panát. "Teplo dosky potom odstraňuje rozpúšťadlo tak, že stĺp je pripravený na prijatie ďalšej kvapôčky obsahujúcej nanočastice striebra, čo je veľmi rýchly proces a pokračuje až kým sa nevytvorí celá mriežka .. Ľudia tento mechanizmus nepoužívali na vytvorenie akumulátorové elektródy.Vyvinuli sme tento mechanizmus a patent čaká na to.

Výsledné mikroštruktúrne štruktúry dobre fungovali, keď sa používali ako elektróda v lítium-iónových batériách. Tím vykonal v laboratóriu celý rad skúšok a zistil, že v porovnaní so štandardnými elektródami blokových batérií spôsobili mriežkové elektródy štvornásobné zvýšenie špecifickej kapacity (kapacita v mAh na jednotku hmotnosti) a dvojnásobný nárast plošnej kapacity (kapacita mAh na oblasť jednotky). Tiež si zachovali svoju štruktúru po 40 elektrochemických cykloch.

Tieto atribúty znamenajú, že elektródy môžu byť vylepšené, aby sa mohli pochváliť oveľa vyššou kapacitou pre rovnakú hmotnosť alebo rovnakú kapacitu, ale pri oveľa nižšej hmotnosti. Táto flexibilita by mohla poskytnúť týmto typom batérií rad použitia. Napríklad elektrické vozidlá by mohli byť vyrábané tak, aby mali rovnakú hmotnosť a mohli cestovať oveľa ďalej, alebo jazdiť na rovnakú vzdialenosť, ale vážili oveľa menej. Rovnaký princíp by mohol platiť aj pre smartphony, prenosné počítače a tablety.

S patentom, ktorý sa práve zaoberá, tím teraz pracuje na jemnom ladení a rozširovaní svojej techniky s cieľom uviesť ho na trh.

"Budeme sa snažiť experimentovať s rôznymi materiálmi z elektród a preskúmať rozširovanie výroby systémom s viacerými tryskami, " vysvetľuje Panat. "Tiež je možné zvýšiť rýchlosť vykurovania, aby sme znížili čas na odparovanie mikrokvapiek, aby sme urýchlili proces.Máme záujem priemyselných partnerov a investorov financovať tieto ďalšie kroky pre budúcu komercializáciu.

Výskum bol publikovaný v časopise Additive Manufacturing.

Zdroj: Univerzita Carnegie Mellon

Mriežková architektúra poskytuje dodatočné kanály na efektívnu prepravu elektrolytu vo vnútri akumulátorovej elektródy v porovnaní s verziou s pevnou kockou (Kredit: Rahul Panat a Mohammad Sadeq Saleh)

Mriežková architektúra poskytuje dodatočné kanály na efektívnu prepravu elektrolytu vo vnútri akumulátorovej elektródy v porovnaní s verziou s pevnou kockou (Kredit: Rahul Panat a Mohammad Sadeq Saleh)

3D vytlačená elektróda vo forme "interdigitovanej geometrie", ktorá má strop (Kredit: Rahul Panat a Mohammad Sadeq Saleh)

3D-vytlačená microlattická elektróda môže byť vyrobená v akejkoľvek veľkosti (Kredit: Rahul Panat a Mohammad Sadeq Saleh)

Nová technológia vyvinutá na univerzite Carnegie Mellon by mohla znamenať veľké veci pre lítiové batérie (Credit: Erchog / Depositphotos)