3D-tryckta elektroder ger en helt ny dimension till litiumbatterier

Anonim

3D-tryckta elektroder ger en helt ny dimension till litiumbatterier

Elektronik

Nick Lavars

1 augusti 2018

5 bilder

Ny teknik som utvecklats på Carnegie Mellon University kan innebära stora saker för litiumbatterier (Kredit: Erchog / Depositphotos)

Så mycket av forskningsinriktningen i litiumbatterierna ligger på elektroderna. Som komponenter där elektriska strömmar flyter in och ut ur batteriet, skrämmer forskarna ständigt sina smink och de kemiska reaktionerna de genererar för att förbättra batterierna. Bland dem är forskare på Carnegie Mellon University, som har kommit på ett nytt sätt att skriva ut tredimensionella elektroder som de säger resultera i en "oöverträffad förbättring."

Sökandet efter nya och förbättrade litiumbatterier har blivit många lovande möjligheter. Dessa har involverat att placera kisel i grafenburar, utveckla små nanotrådar och komma helt och hållet på nya material, till exempel SiliconX.

Även 3D-utskrift har framkommit som en möjlig väg framåt, eftersom den kan användas för att producera elektroder med en porös arkitektur som erbjuder extra kanaler för elektrolyten att infiltrera, vilket i sin tur ger bättre laddningskapacitet. För närvarande är den optimala arkitekturen för detta känd som interdigiterad geometri, men som Carnegie Mellon docent i maskinteknik Rahul Panat förklarar, har den ett tak.

"Den interdigiterade geometrin är faktiskt porös och tillåter elektrolyten att passera genom kanalerna, " säger han New Atlas. "Det är dock en 2D-struktur som sträcker sig till den tredje dimensionen genom extruderingsutskrift och det finns begränsningar för hur 'hög ' det kan göras. "

Panat och ett team av mekaniska ingenjörer har utvecklat en ny 3D-tryckmetod som övervinner denna begränsning och möjliggör mikrolattice-arkitekturer av vilken storlek som helst ovan. Det innebär att spetsa ut mikroskala droppar i exakt rätt storlek med rätt yta och tröghetskrafter, vilket gör att dropparna kan fästa på ett sätt som gör att komplexa 3D-strukturer kan bildas.

"Som ett resultat av denna skalning klibbar den tryckta droppen till pelaren istället för att falla av den, " säger Panat oss. "Platen värmen tar sedan bort lösningsmedlet så att pelaren är redo att ta emot nästa droppe innehållande silver nanopartiklar. Detta är en mycket snabb process och fortsätter tills en full gitter bildas. Människor hade inte använt denna typ av mekanism för att skapa batterielektroder. Vi utvecklade denna mekanism och ett patent väntar på det. "

De resulterande mikrolattstrukturerna fungerade bra när de användes som en elektrod i litiumjonbatterier. Teamet utförde en rad olika tester i laboratoriet och fann att i jämförelse med standardblåsbatterielektroderna fanns det en fyrfaldig ökning av den specifika kapaciteten (kapacitet i mAh per massa) och dubbelt ökning av arealkapaciteten (kapacitet mAh per enhet område). De behöll också sin struktur efter 40 elektrokemiska cykler.

Dessa attribut betyder att elektroderna kan tweaked för att skryta med en mycket högre kapacitet för samma vikt, eller samma kapacitet men med en mycket lägre vikt. Denna flexibilitet kan ge dessa typer av batterier en rad användningsområden. Till exempel kan elbilar tillverkas för att antingen ha samma vikt och resa mycket längre, eller åka samma avstånd men väga mycket mindre. Samma princip kan tillämpas på smartphones, bärbara datorer och surfplattor.

Med patentsökningen arbetar laget nu med att finjustera och skala upp sin teknik för att få den till marknaden.

"Vi kommer att leta efter att experimentera med olika elektrodmaterial och utforska uppskalning av produktionen med multi-nozzle system, " förklarar panat. "Dessutom kan uppvärmningshastigheten ökas för att minska tiden för förångning för mikrodropparna för att påskynda processen. Vi är intresserade av branschpartners och investerare att finansiera dessa nästa steg för framtida kommersialisering. "

Forskningen publicerades i tidningen Additive Manufacturing.

Källa: Carnegie Mellon University

Gitter arkitektur ger extra kanaler för effektiv transport av elektrolyt inuti en batterielektrod, jämfört med en solid kubversion (Kredit: Rahul Panat och Mohammad Sadeq Saleh)

Gitter arkitektur ger extra kanaler för effektiv transport av elektrolyt inuti en batterielektrod, jämfört med en solid kubversion (Kredit: Rahul Panat och Mohammad Sadeq Saleh)

En 3D-tryckt elektrod i form av "interdigitated geometry " som har ett tak (Kredit: Rahul Panat och Mohammad Sadeq Saleh)

En 3D-tryckt microlattice-elektrod kan produceras i vilken storlek som helst (Kredit: Rahul Panat och Mohammad Sadeq Saleh)

Ny teknik som utvecklats på Carnegie Mellon University kan innebära stora saker för litiumbatterier (Kredit: Erchog / Depositphotos)