可控孔隙率的微晶格結(jié)構(gòu)

在微觀尺度上糟把，如果它們的電極具有孔隙和通道，則鋰離子電池容量可以大大提高乓梨。交叉幾何形狀雖然確實(shí)允許鋰在充電和放電期間有效地通過(guò)電池傳輸舞涮，但并不是最佳的。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程副教授Rahul Panat和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員與密蘇里科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作浓蜈，開(kāi)發(fā)了一種革命性的新方法未然，即3D打印電池電極，可創(chuàng)建具有可控孔隙率的3D微晶格結(jié)構(gòu)芳迅。研究人員在發(fā)表在增材制造雜志上的一篇論文中展示了這種微晶格結(jié)構(gòu)的3D打印哮昧，極大地提高了鋰離子電池的容量和充放電率。

“對(duì)于鋰離子電池蕾胶，具有多孔結(jié)構(gòu)的電極可以帶來(lái)更高的充電容量仓貌。”P(pán)anat說(shuō)刘耀，“這是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)允許鋰穿透電極體積泉互，從而導(dǎo)致非常高的電極利用率，提高儲(chǔ)能容量召藻。在普通電池中总枢，總電極體積的30-50%未被利用。我們的方法克服了這個(gè)問(wèn)題退疫，通過(guò)使用3D打印，我們創(chuàng)建了一個(gè)微晶格電極架構(gòu)鸽素，可以在整個(gè)電極上有效地傳輸鋰褒繁，這也提高了電池的充電速率♀珊觯”

Panat的論文中介紹的增材制造方法代表了打印3D電池架構(gòu)復(fù)雜幾何形狀的重大進(jìn)步棒坏，以及幾何優(yōu)化電化學(xué)儲(chǔ)能3D配置的重要一步。研究人員估計(jì)遭笋，該技術(shù)將在大約2 - 3年內(nèi)準(zhǔn)備好轉(zhuǎn)化為工業(yè)應(yīng)用坝冕。

用作鋰離子電池的電極的微晶格結(jié)構(gòu)(Ag)顯示出以幾種方式改善電池性能，例如與固體塊(Ag)電極相比瓦呼，具體容量增加四倍并且表面容量增加兩倍喂窟。此外，電極在40個(gè)電化學(xué)循環(huán)后保留其復(fù)雜的3D晶格結(jié)構(gòu)央串，證明了它們的機(jī)械強(qiáng)度磨澡。因此，電池可以具有相同重量的高容量，或者相同的容量队乔，大大減輕了重量 —— 這是運(yùn)輸應(yīng)用的重要屬性隅贫。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了自己的3D打印方法，以創(chuàng)建多孔微晶格架構(gòu)拾肚，同時(shí)利用Aerosol Jet 3D打印系統(tǒng)的現(xiàn)有功能做销。氣溶膠噴射系統(tǒng)還允許研究人員在微觀層面上打印平面?zhèn)鞲衅骱推渌?a target="_blank" class="mmstipa1" >電子設(shè)備，該設(shè)備于今年早些時(shí)候部署在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)工程學(xué)院奶匆。

到目前為止对夹，3D打印電池的工作僅限于以擠壓為基礎(chǔ)的打印，其中材料線從噴嘴擠出附舌，形成連續(xù)的結(jié)構(gòu)渺纯。使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)交叉結(jié)構(gòu)。通過(guò)在Panat實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的方法蛉差，研究人員能夠通過(guò)將各個(gè)液滴逐個(gè)快速地組裝成三維結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)電池電極進(jìn)行3D打印正蹋。所得到的結(jié)構(gòu)具有使用典型擠壓方法不可能制造的復(fù)雜幾何形狀。

“因?yàn)檫@些液滴彼此分離壕哩，我們可以創(chuàng)造出這些新的復(fù)雜幾何形狀钧宠。”P(pán)anat說(shuō)扎运，“如果這是一種單一的材料流瑟曲，就像在擠壓印刷的情況下，我們就無(wú)法制造它們豪治。這是一個(gè)新的東西洞拨。我不相信直到現(xiàn)在才有人使用3D打印創(chuàng)造這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)「耗猓“

這種革命性的方法對(duì)于消費(fèi)電子烦衣、醫(yī)療設(shè)備行業(yè)以及航空航天應(yīng)用非常重要。該研究將與需要小型化電池的生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備很好地集成掩浙。非生物電子微器件也將從這項(xiàng)工作中受益花吟。由于使用這種方法打印的電池重量輕、容量大厨姚，電子設(shè)備衅澈、小型無(wú)人機(jī)和航空航天應(yīng)用本身也可以使用這種技術(shù)。

電池制造的顛覆趨勢(shì)

目前我們使用的電池主要有三大不足之處：充電時(shí)間往往以小時(shí)計(jì)谬墙；充電和放電的次數(shù)是有限的今布，因此壽命相對(duì)比較短；不環(huán)保育另，回收時(shí)需要特殊的仁墅、昂貴的處理過(guò)程刺盏。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，3D打印用于電池的制造可以劃分為兩大派系冲倡，第一大派系如正文說(shuō)提到的通過(guò)創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀提升鋰電池的容量和充放電效率锡迅。第二大派系是通過(guò)3D打印諸如石墨烯等其他材料來(lái)尋找一種替代鋰電池的方法。

2016年蒸橡，澳大利亞斯威本大學(xué)（Swinburne University）的研究人員通過(guò)3D打印石墨烯薄片单葡，發(fā)明了一種全新而且應(yīng)用廣泛的能源存儲(chǔ)技術(shù)（從技術(shù)上講，是一種超級(jí)電容器）每玛，可容納更大的電荷能量雳梧，并且在一秒鐘內(nèi)完成充電。

而根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察芦赔，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）于2015年4月就取得石墨烯材料應(yīng)用的突破托逝，實(shí)驗(yàn)室的科研人員以石墨烯氣凝膠做為3D打印的材料，并按照設(shè)計(jì)好的架構(gòu)進(jìn)行3D打印桥膝。打印出的石墨稀微格具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和表面積萤皂，可以作為存儲(chǔ)能量的新載體，并可用于傳感器匣椰、納米電子學(xué)裆熙、催化、分離等應(yīng)用禽笑。

這種石墨烯材料的3D打印電池由于充電和放電不會(huì)降低電池的質(zhì)量入录，所以這些電池理論上可以反復(fù)充電使用持續(xù)一輩子〖丫担考慮到不用頻繁拋棄充電電池對(duì)環(huán)境帶來(lái)的威脅僚稿，這一優(yōu)點(diǎn)使得3D打印新型超級(jí)電池的商業(yè)空間更具想象力。

更加集成的制造推動(dòng)產(chǎn)品改頭換面

關(guān)于卡內(nèi)基梅隆大學(xué)所使用的Optomec的氣溶膠噴射3D打印技術(shù)（Aerosol Jet）蟀伸， 這種技術(shù)不會(huì)改變承印物和油墨的物理性能和化學(xué)性能蚀同。Optomec的5軸3D打印設(shè)備工作原理是將打印材料霧化成一個(gè)密集的氣溶膠液滴。這種液滴混合惰性氣體望蜡，通過(guò)打印頭擠出固化。該設(shè)備可打印10微米-1毫米寬的材料拷恨，打印材料包括導(dǎo)電油墨脖律、粘合劑、聚合物漩叶、電介質(zhì)苹衰、膠粘劑等，從而制造表面不平坦的電子內(nèi)件和印刷線路板狞朦。該技術(shù)可以打印更小的棘爱、更高性能的移動(dòng)電子設(shè)備。

隨著3D打印技術(shù)包括FDM熔融擠出技術(shù)、SLS選擇性激光燒結(jié)技術(shù)柜棠、SLA光固化技術(shù)酒舶、以及多噴頭3D打印技術(shù)等技術(shù)在電池和電子結(jié)構(gòu)件方面的應(yīng)用深化，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究與預(yù)測(cè)歇决，生活中的很多電子產(chǎn)品有一天將會(huì)發(fā)生改頭換面的變化：手機(jī)屏幕也將可折疊宇赁，通過(guò)3D打印柔性材料以及更強(qiáng)大的電子元件，將手機(jī)電池芹蟹、天線凳嘁、電子元器件作為一個(gè)整體制造出來(lái)；而像助聽(tīng)器這類(lèi)的電子產(chǎn)品或許可以通過(guò)3D打印電池绍绽、電子元器件以及助聽(tīng)器外殼一次性完成只磷。

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