การพิมพ์ 3D แบตเตอรี่ลิเธียมรุ่นต่อไป

ความจุแบตเตอรีลิเธียมไอออนสามารถปรับปรุงได้ดีขึ้นอย่างมากถ้าหากใช้กล้องจุลทรรศน์ขั้วไฟฟ้ามีรูพรุนและช่องสัญญาณ รูปเรขาคณิตแบบ interdigitated แม้ว่าจะทำให้ลิเธียมสามารถขนส่งผ่านแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพระหว่างการชาร์จและการคายประจุไม่เหมาะสม

Rahul Panat รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลที่ Carnegie Mellon University และทีมนักวิจัยจาก Carnegie Mellon ร่วมมือกับมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งมลรัฐมิสซูรีได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการสร้างขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่สำหรับพิมพ์ 3 มิติที่สร้างภาพ 3 มิติ โครง microlattice ที่มีการควบคุมความพรุน การพิมพ์โครงสร้าง microlattice แบบ 3 มิตินี้นักวิจัยได้แสดงให้เห็นในบทความที่ตีพิมพ์ในนิตยสาร Additive Manufacturing ซึ่งช่วยเพิ่มความจุและอัตราการปล่อยประจุแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างมาก

"ในกรณีของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอิเล็กโทรดที่มีสถาปัตยกรรมรูพรุนสามารถนำไปสู่ความสามารถในการประจุไฟที่สูงขึ้นได้" Panat กล่าว เนื่องจากโครงสร้างดังกล่าวทำให้ลิเธียมสามารถเจาะผ่านปริมาตรอิเล็กโทรดที่นำไปสู่การใช้อิเล็กโทรดสูงมากและทำให้ความสามารถในการเก็บพลังงานสูงขึ้นในแบตเตอรี่ทั่วไป 30-50% ของปริมาตรอิเล็กโทรดทั้งหมดจะใช้งานไม่ได้วิธีการของเราจะใช้ประโยชน์จากปัญหานี้ โดยใช้การพิมพ์แบบ 3D ซึ่งเราสร้างสถาปัตยกรรม electrode microlattice ที่ช่วยให้การขนส่งลิเธียมผ่านขั้วไฟฟ้าทั้งสองมีประสิทธิภาพซึ่งจะเพิ่มอัตราการชาร์จแบตเตอรีด้วย "

วิธีการผลิตสารเติมแต่งที่นำเสนอในเอกสารของ Panat แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าที่สำคัญในด้านการพิมพ์รูปทรงที่ซับซ้อนสำหรับสถาปัตยกรรมแบตเตอรี่ 3 มิติรวมถึงขั้นตอนสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพการกำหนดค่า 3 มิติสำหรับการเก็บรักษาพลังงานไฟฟ้าด้วยไฟฟ้า นักวิจัยคาดว่าเทคโนโลยีนี้จะพร้อมสำหรับการแปลสู่อุตสาหกรรมใน 2-3 ปีข้างหน้า

โครงสร้างของ microlattice (Ag) ที่ใช้เป็นอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่ดีขึ้นด้วยวิธีการต่างๆเช่นการเพิ่มความจุที่เฉพาะเจาะจงเป็นสี่เท่าและความสามารถในการอยู่อาศัยเพิ่มขึ้นสองเท่าเมื่อเปรียบเทียบกับอิเล็กโทรดที่เป็นของแข็ง (Ag) นอกจากนี้อิเล็กโทรดยังคงโครงสร้างโครงสร้างตาข่ายสามมิติที่ซับซ้อนของพวกเขาหลังจากผ่านวงจรไฟฟ้าเคมีจำนวน 40 ครั้งแสดงให้เห็นถึงความทนทานเชิงกลของพวกเขา แบตเตอรี่จึงมีความจุสูงสำหรับน้ำหนักตัวเดียวกันหรือสลับกันสำหรับความจุเดียวกันน้ำหนักลดลงอย่างมากซึ่งเป็นคุณลักษณะที่สำคัญสำหรับการใช้งานด้านการขนส่ง

นักวิจัยของ Carnegie Mellon ได้พัฒนาวิธีการพิมพ์แบบ 3 มิติของตนเองเพื่อสร้างสถาปัตยกรรม microlattice ที่มีรูพรุนในขณะที่ใช้ประโยชน์จากความสามารถที่มีอยู่ของระบบการพิมพ์ของ Aerosol Jet 3-D ระบบ Aerosol Jet ช่วยให้นักวิจัยสามารถพิมพ์เซนเซอร์ระนาบและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ในระดับจุลภาคได้ซึ่งนำไปใช้ที่วิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์ของ Carnegie Mellon University เมื่อต้นปีนี้

จนถึงขณะนี้ความพยายามของแบตเตอรี่พิมพ์ 3 มิติถูก จำกัด ไว้สำหรับการพิมพ์แบบอัดขึ้นรูปโดยที่ลวดวัสดุถูก extruded จากหัวฉีดสร้างโครงสร้างแบบต่อเนื่อง โครงสร้างแบบเบ็ดเสร็จเป็นไปได้โดยใช้วิธีนี้ ด้วยวิธีการที่พัฒนาขึ้นในห้องปฏิบัติการของ Panat นักวิจัยสามารถพิมพ์อิเลคโทรแบตเตอรี่ได้โดยการประกอบชิ้นส่วนแต่ละหยดโดยอัตโนมัติเป็นโครงสร้างสามมิติอย่างรวดเร็ว โครงสร้างที่เป็นผลลัพธ์ทำให้รูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนเป็นไปไม่ได้ที่จะใช้วิธีการอัดขึ้นรูปทั่วไป

"เนื่องจากหยดเหล่านี้ถูกแยกออกจากกันและกันเราจึงสามารถสร้างรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนใหม่เหล่านี้ได้" Panat กล่าว "ถ้านี่เป็นกระแสข้อมูลเดียวเช่นในกรณีของการอัดขึ้นรูปเราจะไม่สามารถที่จะทำให้พวกเขานี่คือสิ่งใหม่ผมไม่เชื่อว่าใครจนถึงขณะนี้มีการใช้การพิมพ์ 3 มิติเพื่อ สร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนเหล่านี้ "

วิธีการปฏิวัตินี้จะมีความสำคัญมากสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคอุตสาหกรรมอุปกรณ์ทางการแพทย์และการใช้งานด้านอวกาศ งานวิจัยนี้จะผสานรวมกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกชีวแพทย์ซึ่งต้องใช้แบตเตอรี่ขนาดเล็ก อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่ใช่ชีวภาพจะได้รับประโยชน์จากงานนี้ด้วย และในขนาดใหญ่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เครื่องลูกลอยขนาดเล็กและการประยุกต์ใช้การบินและอวกาศสามารถใช้เทคโนโลยีนี้ได้เช่นกันเนื่องจากน้ำหนักและกำลังการผลิตแบตเตอรี่ที่พิมพ์ด้วยวิธีนี้สูง

แบตเตอรี่ TAC รองรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต่างๆรวมถึงแบตเตอรีลิเธียมและทรงกระบอกลิเธียมและแบตเตอรี่และชุดแบตเตอรี่ lifepo4