In 3D thế hệ tiếp theo của pin Lithium

Dung lượng pin lithium-ion có thể được cải thiện đáng kể nếu, trên kính hiển vi, điện cực của chúng có lỗ chân lông và các kênh. Một hình học xen kẽ, mặc dù nó cho phép lithium vận chuyển qua pin hiệu quả trong quá trình sạc và xả, không phải là tối ưu.

Rahul Panat, một giáo sư kỹ sư cơ khí tại Đại học Carnegie Mellon, và một nhóm các nhà nghiên cứu từ Carnegie Mellon phối hợp với Đại học Khoa học và Công nghệ Missouri đã phát triển một phương pháp mới về các điện cực pin in 3-D tạo ra một 3-D cấu trúc microlattice với độ xốp kiểm soát. 3-D in cấu trúc microlattice này, các nhà nghiên cứu cho thấy trong một bài báo được công bố trên tạp chí Additive Manufacturing , đã cải thiện đáng kể công suất và tỷ lệ xả điện cho pin lithium-ion.

"Trong trường hợp pin lithium-ion, các điện cực có kiến ​​trúc xốp có thể dẫn đến khả năng sạc cao hơn", Panat nói. "Điều này là do các kiến ​​trúc như vậy cho phép lithium thâm nhập qua khối lượng điện cực dẫn đến việc sử dụng điện cực rất cao, và do đó năng lực lưu trữ năng lượng cao hơn. Trong pin bình thường, 30-50% tổng lượng điện cực chưa được sử dụng. bằng cách sử dụng in 3D, nơi chúng tôi tạo ra một kiến ​​trúc điện cực microlattice cho phép vận chuyển hiệu quả lithium qua toàn bộ điện cực, điều này cũng làm tăng tốc độ sạc pin. "

Phương pháp sản xuất phụ gia được trình bày trong bài báo của Panat thể hiện một tiến bộ lớn trong in hình học phức tạp cho kiến ​​trúc pin 3-D, cũng như một bước quan trọng hướng tới cấu hình 3-D tối ưu hóa hình học cho việc lưu trữ năng lượng điện hóa. Các nhà nghiên cứu ước tính rằng công nghệ này sẽ sẵn sàng dịch sang các ứng dụng công nghiệp trong khoảng 2-3 năm tới.

Cấu trúc microlattice (Ag) được sử dụng như điện cực của pin lithium-ion cho thấy cải thiện hiệu suất hoạt động của pin theo nhiều cách như tăng gấp 4 lần công suất riêng và tăng gấp đôi dung lượng vùng khi so sánh với điện cực khối (Ag). Hơn nữa, các điện cực giữ lại cấu trúc lưới 3D phức tạp của chúng sau bốn mươi chu kỳ điện hóa thể hiện độ bền cơ học của chúng. Do đó, pin có dung lượng lớn cho cùng một trọng lượng hoặc luân phiên, với cùng công suất, trọng lượng giảm đáng kể - đó là một thuộc tính quan trọng cho các ứng dụng vận chuyển.

Các nhà nghiên cứu Carnegie Mellon đã phát triển phương pháp in 3-D của riêng mình để tạo ra các kiến ​​trúc vi mô xốp trong khi tận dụng khả năng hiện tại của hệ thống in phun Aerosol Jet 3-D. Hệ thống Aerosol Jet cũng cho phép các nhà nghiên cứu in các cảm biến phẳng và các thiết bị điện tử khác trên quy mô nhỏ, được triển khai tại Đại học Kỹ thuật Carnegie Mellon vào đầu năm nay.

Cho đến nay, các nỗ lực pin in 3-D được giới hạn trong in ấn dựa trên đùn, trong đó một sợi vật liệu được ép đùn từ vòi phun, tạo ra các cấu trúc liên tục. Cấu trúc interdigitated có thể sử dụng phương pháp này. Với phương pháp được phát triển trong phòng thí nghiệm của Panat, các nhà nghiên cứu có thể in 3-D điện cực pin bằng cách nhanh chóng lắp ráp từng giọt một thành một cấu trúc ba chiều. Các cấu trúc kết quả có hình học phức tạp không thể chế tạo bằng cách sử dụng các phương pháp đùn điển hình.

"Bởi vì những giọt này được tách ra từ nhau, chúng ta có thể tạo ra những hình dạng phức tạp mới", Panat nói. "Nếu đây là một dòng vật liệu duy nhất, như trong trường hợp in ấn đùn, chúng tôi sẽ không thể tạo ra chúng. Đây là một điều mới. Tôi không tin ai cho đến bây giờ đã sử dụng in 3-D để tạo ra những loại cấu trúc phức tạp này. "

Phương pháp mang tính cách mạng này sẽ rất quan trọng đối với các thiết bị điện tử tiêu dùng, công nghiệp thiết bị y tế, cũng như các ứng dụng hàng không vũ trụ. Nghiên cứu này sẽ tích hợp tốt với các thiết bị điện tử y sinh học, nơi cần có pin thu nhỏ. Các thiết bị vi điện tử phi sinh học cũng sẽ được hưởng lợi từ công việc này. Và trên quy mô lớn hơn, các thiết bị điện tử, máy bay nhỏ và các ứng dụng hàng không vũ trụ cũng có thể sử dụng công nghệ này, do trọng lượng thấp và dung lượng cao của pin được in bằng phương pháp này.

TAC PIN Hỗ trợ nhiều loại pin lithium-ion khác nhau bao gồm pin lithium polymer và pin lifepo4 hình trụ