Инженеры в США разработали метод 3D-печати, который может привести к значительному увеличению емкости и скорости разряда заряда для литий-ионных батарей.

Литий-ионный аккумулятор может быть значительно улучшен, если их электроды содержат микромасштабные поры и каналы. На сегодняшний день внутренняя геометрия, которая создавала лучшие пористые электроды с добавкой, была переплетена, что позволяет литию эффективно транспортировать батарею во время зарядки и разрядки, но не является оптимальным.

Теперь Рахул Панат, адъюнкт-профессор машиностроения в Университете Карнеги-Меллона, и команда исследователей из Карнеги-Меллона в сотрудничестве с Университетом науки и техники Миссури разработали новый метод электродов для 3D-печати, который создает трехмерную структуру микрорешетки с контролируемой пористости. Их результаты опубликованы в Additive Manufacturing.

«В случае литий-ионных батарей электроды с пористой архитектурой могут привести к увеличению емкости заряда», - сказал Панат. «Это связано с тем, что такие архитектуры позволяют литию проникать через объем электрода, что приводит к очень высокому использованию электрода и, следовательно, к более высокой емкости хранения энергии. В обычных батареях 30-50 процентов от общего объема электрода не используется. Наш метод преодолевает эту проблему, используя 3D-печать, где мы создаем архитектуру электрода с микрорешеткой, которая позволяет эффективно переносить литий по всему электроду, что также увеличивает скорость зарядки аккумулятора».

Было показано, что структура микрорешетки (Ag), используемая в качестве электродов из литиево-ионных батарей, обеспечивает четырехкратное увеличение удельной емкости и двукратное увеличение площади поверхности по сравнению с твердотельным блоком (Ag). Согласно CMU, электроды также сохраняли свои сложные трехмерные решетчатые структуры после 40 электрохимических циклов, демонстрируя их механическую прочность.

Исследователи Carnegie Mellon разработали свой собственный метод 3D-печати для создания пористых микроструктурированных архитектур, одновременно используя существующие возможности 3D-системы Aerosol Jet 3D.

До сих пор трехмерные работы с аккумуляторными батареями были ограничены печатью на основе экструзии, где проволока материала экструдировалась из сопла, создавая непрерывные структуры. Используя этот метод, возможно использование междигитированных структур. Благодаря методу, разработанному в лаборатории Паната, исследователи могут 3D-печать аккумуляторных электродов путем быстрой сборки отдельных капель по одному в трехмерные структуры. Полученные структуры имеют сложную геометрию, которую невозможно изготовить с использованием типичных методов экструзии.

«Поскольку эти капли отделены друг от друга, мы можем создать эти новые сложные геометрии», - сказал Панат. «Если бы это был единственный поток материала, как в случае экструзионной печати, мы бы не смогли их сделать. Это новая вещь. Я не верю, что никто до сих пор не использовал 3D-печать для создания таких сложных структур».

По оценкам исследователей, технология с использованием этого нового метода 3D-печати будет готова к промышленному применению примерно через два-три года.

Источник: 3dprint.soften.com.ua