3D الطباعة الجيل القادم من بطاريات الليثيوم

ملخص: يمكن استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع أقطاب مسامية لبطاريات الليثيوم أيون - ولكن نظرًا لطبيعة عملية التصنيع ، فإن تصميم هذه الأقطاب المطبوعة ثلاثية الأبعاد يقتصر على عدد قليل جدًا من البنى الهندسية المحتملة. حتى الآن ، كانت الهندسة الداخلية التي أنتجت أفضل إلكترودات مسامية من خلال التصنيع الإضافي هي ما يُعرف بالهندسة المتداخلة - شوكات معدنية متشابكة مثل أصابع اليدين المشبكتين ، مع تحريك الليثيوم بين الجانبين.

يمكن تحسين قدرة بطارية ليثيوم أيون بشكل كبير إذا كانت أقطابها تحتوي على المسام والقنوات على الميكروسكيل. والهندسة المتداخلة ، رغم أنها تسمح للليثيوم بالانتقال عبر البطارية بكفاءة أثناء الشحن والتفريغ ، ليست مثالية.

قام راهول بانات ، وهو أستاذ مشارك في الهندسة الميكانيكية في جامعة كارنيجي ميلون ، وفريق من الباحثين من جامعة كارنيجي ميلون بالتعاون مع جامعة ميسوري للعلوم والتكنولوجيا ، بتطوير طريقة ثورية جديدة لإلكترودات البطارية ثلاثية الأبعاد التي تخلق ثلاثية الأبعاد. هيكل microlatice مع المسامية التي تسيطر عليها. وطبقا للباحثين في بحث منشور في مجلة اديتيف مانجمنت ، فإن هذا الطبق الثلاثي الأبعاد ، يحسن إلى حد كبير من معدلات قدرة الشحن والتفريغ على بطاريات الليثيوم أيون.

يقول بانات: "في حالة بطاريات أيونات الليثيوم ، فإن الأقطاب ذات البنى التي يسهل اختراقها يمكن أن تؤدي إلى زيادة سعة الشحن". "هذا لأن هذه البنى تسمح للليثيوم بالاختراق من خلال حجم الإلكترود الذي يؤدي إلى استخدام إلكترود عالي جدا ، وبالتالي قدرة تخزين أعلى للطاقة. في البطاريات العادية ، 30-50 ٪ من إجمالي حجم القطب غير مستخدم. لدينا طريقة تتغلب على هذه المسألة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد ، حيث نقوم بإنشاء بنية قطب كهربائي microlattice تسمح بنقل الليثيوم بكفاءة عبر كامل القطب ، مما يزيد أيضًا من معدلات شحن البطارية. "

تمثل طريقة التصنيع المضافة المقدمة في ورقة Panat تقدمًا كبيرًا في طباعة الأشكال الهندسية المعقدة لمعماريات البطاريات ثلاثية الأبعاد ، بالإضافة إلى خطوة مهمة نحو تحسين تكوينات ثلاثية الأبعاد بشكل هندسي لتخزين الطاقة الكهروكيميائية. ويقدر الباحثون أن هذه التقنية ستكون جاهزة للترجمة إلى التطبيقات الصناعية خلال حوالي 2-3 سنوات.

تم توضيح هيكل microlattice (Ag) المستخدم كإلكترودات بطاريات ليثيوم أيون لتحسين أداء البطارية بعدة طرق مثل زيادة أربع مرات في سعة معينة وزيادة مزدوجة في سعة المسطح بالمقارنة مع القطب الصلب (Ag). علاوة على ذلك ، احتفظت الأقطاب الكهربائية بهياكل شعرية ثلاثية الأبعاد معقدة بعد أربعين دورة كهروكيميائية تدل على متانة ميكانيكية. وبالتالي ، يمكن للبطاريات أن تكون ذات قدرة عالية على نفس الوزن أو بالتبادل ، لنفس السعة ، على وزن أقل بشكل كبير - وهو سمة مهمة لتطبيقات النقل.

طور الباحثون في جامعة كارنيجي ميلون طريقتهم الخاصة في الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء معماريات microlattice مسامية مع الاستفادة من القدرات الحالية لنظام الطباعة Aerosol Jet 3-D. كما يسمح نظام Aerosol Jet للباحثين بطباعة المستشعرات المستوية والالكترونيات الأخرى على نطاق صغير ، والذي تم نشره في كلية الهندسة بجامعة كارنيجي ميلون في وقت سابق من هذا العام.

حتى الآن ، كانت جهود البطاريات المطبوعة ثلاثية الأبعاد تقتصر على الطباعة القائمة على البثق ، حيث يتم إخراج سلك المادة من فوهة ، مما يؤدي إلى إنشاء هياكل مستمرة. كانت الهياكل المتداخلة ممكنة باستخدام هذه الطريقة. مع الأسلوب المطور في مختبر بانات ، يستطيع الباحثون طباعة ثلاثية الأبعاد لأقطاب البطارية عن طريق تجميع قطرات فردية واحدة تلو الأخرى إلى هياكل ثلاثية الأبعاد. الهياكل الناتجة لها هندسة معقدة من المستحيل تصنيعها باستخدام طرق البثق النموذجية.

"لأن هذه القطرات منفصلة عن بعضها البعض ، يمكننا إنشاء هذه الهندسة المعقدة الجديدة" ، كما يقول بانات. "إذا كان هذا دفقًا واحدًا من المواد ، كما هو الحال في الطباعة بالبثق ، فلن نكون قادرين على صنعها. هذا شيء جديد. لا أعتقد أن أي شخص حتى الآن قد استخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد خلق هذه الأنواع من الهياكل المعقدة ".

هذه الطريقة الثورية ستكون مهمة جدا للالكترونيات الاستهلاكية ، صناعة الأجهزة الطبية ، وكذلك تطبيقات الفضاء. سوف يندمج هذا البحث جيدًا مع الأجهزة الإلكترونية الطبية الحيوية ، حيث تتطلب بطاريات مصغرة. سوف تستفيد الأجهزة الإلكترونية الدقيقة غير البيولوجية أيضا من هذا العمل. وعلى نطاق أوسع ، يمكن للأجهزة الإلكترونية ، والطائرات الصغيرة بدون طيار ، والتطبيقات الفضائية نفسها استخدام هذه التقنية أيضًا ، نظرًا للوزن المنخفض والقدرة العالية للبطاريات المطبوعة باستخدام هذه الطريقة.

TAC BATTERY دعم مختلف بطارية ليثيوم أيون بما في ذلك من بطارية ليثيوم بوليمر اسطوانية وخلية البطارية lifepo4 وحزمة