Additieve productie, ook wel bekend als 3D-printen, kan worden gebruikt om poreuze elektroden voor lithium-ionbatterijen te vervaardigen, maar vanwege de aard van het fabricageproces, het ontwerp van deze 3D-geprinte elektroden is beperkt tot slechts enkele mogelijke architecturen. Tot nu, de interne geometrie die de beste poreuze elektroden produceerde door middel van additieve fabricage was wat bekend staat als een interdigitale geometrie - metalen tanden die in elkaar grijpen als de vingers van twee gevouwen handen, met het lithium pendelen tussen de twee kanten.

De capaciteit van de lithium-ionbatterij kan enorm worden verbeterd als, op microschaal, hun elektroden hebben poriën en kanalen. Een interdigitale geometrie, hoewel lithium hierdoor wel efficiënt door de batterij kan worden getransporteerd tijdens het opladen en ontladen, is niet optimaal.

Rahul Panat, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Carnegie Mellon University, en een team van onderzoekers van Carnegie Mellon hebben in samenwerking met de Missouri University of Science and Technology een revolutionaire nieuwe methode ontwikkeld voor het 3D-printen van batterijelektroden die een 3D-microroosterstructuur met gecontroleerde porositeit creëert. 3D-printen van deze microroosterstructuur, laten de onderzoekers zien in een paper gepubliceerd in het tijdschrift Additieve productie , verbetert de capaciteit en laad-ontlaadsnelheden voor lithium-ionbatterijen enorm.

"In het geval van lithium-ionbatterijen, de elektroden met poreuze architecturen kunnen leiden tot hogere laadcapaciteiten, ", zegt Panat. "Dit komt omdat dergelijke architecturen ervoor zorgen dat het lithium door het elektrodevolume kan dringen, wat leidt tot een zeer hoog elektrodegebruik, en daardoor een hogere energieopslagcapaciteit. Bij normale batterijen, 30-50% van het totale elektrodevolume wordt niet gebruikt. Onze methode lost dit probleem op door 3D-printen te gebruiken, waarbij we een microrooster-elektrode-architectuur creëren die het efficiënte transport van lithium door de hele elektrode mogelijk maakt, wat ook de oplaadsnelheid van de batterij verhoogt."

De additieve productiemethode die in Panat's paper wordt gepresenteerd, vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in het printen van complexe geometrieën voor 3D-batterijarchitecturen, evenals een belangrijke stap in de richting van het geometrisch optimaliseren van 3D-configuraties voor elektrochemische energieopslag. De onderzoekers schatten dat deze technologie over ongeveer 2-3 jaar klaar zal zijn om te vertalen naar industriële toepassingen.

De microroosterstructuur (Ag) die als elektroden van lithium-ionbatterijen wordt gebruikt, bleek de batterijprestaties op verschillende manieren te verbeteren, zoals een viervoudige toename van de specifieke capaciteit en een tweevoudige toename van de oppervlaktecapaciteit in vergelijking met een solide blok (Ag) elektrode. Verder, de elektroden behielden hun complexe 3D-roosterstructuren na veertig elektrochemische cycli die hun mechanische robuustheid demonstreerden. De batterijen kunnen dus een hoge capaciteit hebben voor hetzelfde gewicht of afwisselend, voor dezelfde capaciteit, een enorm verminderd gewicht, wat een belangrijk kenmerk is voor transporttoepassingen.

De Carnegie Mellon-onderzoekers ontwikkelden hun eigen 3D-printmethode om de poreuze microroosterarchitecturen te creëren en tegelijkertijd gebruik te maken van de bestaande mogelijkheden van een Aerosol Jet 3D-printsysteem. Met het Aerosol Jet-systeem kunnen de onderzoekers ook vlakke sensoren en andere elektronica op microschaal printen, die eerder dit jaar werd ingezet aan de Carnegie Mellon University's College of Engineering.

Tot nu, 3D-geprinte batterij-inspanningen waren beperkt tot op extrusie gebaseerd printen, waar een draad van materiaal wordt geëxtrudeerd uit een mondstuk, doorlopende structuren te creëren. Met deze methode waren interdigitale structuren mogelijk. Met de methode die is ontwikkeld in het laboratorium van Panat, de onderzoekers zijn in staat om de batterij-elektroden in 3D te printen door individuele druppeltjes één voor één snel te assembleren tot driedimensionale structuren. De resulterende structuren hebben complexe geometrieën die onmogelijk te vervaardigen zijn met behulp van typische extrusiemethoden.

"Omdat deze druppeltjes van elkaar gescheiden zijn, we kunnen deze nieuwe complexe geometrieën creëren, ", zegt Panat. "Als dit een enkele stroom materiaal was, zoals in het geval van extrusiedruk, we zouden ze niet kunnen maken. Dit is iets nieuws. Ik geloof niet dat tot nu toe iemand 3D-printen heeft gebruikt om dit soort complexe structuren te creëren."

Deze revolutionaire methode zal erg belangrijk zijn voor consumentenelektronica, medische apparaten industrie, evenals ruimtevaarttoepassingen. Dit onderzoek zal goed integreren met de biomedische elektronische apparaten, waar geminiaturiseerde batterijen nodig zijn. Ook niet-biologische elektronische micro-apparaten zullen van dit werk profiteren. En op grotere schaal, elektronische apparaten, kleine drones, en ruimtevaarttoepassingen zelf kunnen deze technologie ook gebruiken, vanwege het lage gewicht en de hoge capaciteit van de met deze methode geprinte batterijen.

Het team, die ook werktuigbouwkunde Ph.D. student Mohammad Sadeq Saleh en postdoctoraal onderzoeker Jie Li (Missouri University of Science and Technology), werkt ook aan het creëren van meer complexe driedimensionale structuren, die tegelijkertijd als constructiemateriaal en als functioneel materiaal kunnen worden gebruikt. Bijvoorbeeld, een deel van een drone kan als vleugel fungeren, een constructief materiaal, terwijl het tegelijkertijd fungeert als een functioneel materiaal zoals een batterij.