加州理工學院：DLP 3D打印技術制造晶格結構鋰電池電極

2021年2月10日，南極熊獲悉，來自加州理工學院（Caltech）的研究團隊開發(fā)了一種3D打印鋰離子電池電極的新方法。

研究人員利用DLP 3D打印技術，制造出復雜的聚合物結構，然后通過熱后處理轉(zhuǎn)化為有用的電極材料。最終的碳和鈷氧化鋰結構分別被證明可以作為陽極和陰極使用，并稱具有優(yōu)異的電池性能和穩(wěn)定性。

加州理工學院研究生Kai Narita解釋說："已知聚合物的熱解會導致碳的形成。我們的方法利用這一現(xiàn)象來制造3D打印碳材料。我們使用一種市售的光刻膠與DLP數(shù)字光處理工藝打印來創(chuàng)建3D聚合物結構，然后在1000˚C的溫度下熱解，將其轉(zhuǎn)化為碳的結構。"

△通過DLP 3D打印的復雜電極幾何體，圖片來自加州理工學院

鋰離子電池的局限性

自50年前發(fā)明以來，鋰離子電池已成為現(xiàn)代人類生活中不可或缺的一部分，為從消費電子產(chǎn)品到軍用衛(wèi)星等各種產(chǎn)品提供動力。因此，在電化學領域，有大量的研究專門針對提高儲能設備的容量，同時使其更小、更便宜、更快充電。

除了可以讓我們的手機續(xù)航更長之外，更好的電池對氣候變化也有重大影響，因為它們可以幫助減少對化石燃料的依賴，而促進可再生能源的使用。遺憾的是，電動汽車以及風能和太陽能電網(wǎng)儲能等應用，即使是最前沿的技術，也仍然受到目前能量密度和充電速率的限制。

在傳統(tǒng)的平面電極鋰離子電池中，能量密度(可存儲的能量量)和功率密度(能量釋放率)往往是耦合的。例如，增加電極的質(zhì)量將增加其能量密度，但由于電極厚度的增加，離子和電子被迫在放電前移動更多的距離，從而降低其功率密度。如果將這種關系解耦，儲能設備的能量密度和功率密度都可以同時提高。這就是3D打印的作用。

△3D打印碳電極的SEM成像，圖片來自加州理工學院

3D打印幫了大忙

雖然近年來3D打印實際上已經(jīng)開始探索應用，但之前的嘗試主要依靠納米油墨擠出，這并不適合高分辨率的零件。而光聚合則解決了分辨率的問題，但由于它是基于聚合物化學的，所以通常與電極材料不兼容。

利用DLP-熱解技術，加州理工學院的團隊能夠?qū)烧叩膬?yōu)點結合起來，用電極材料生產(chǎn)高分辨率的電極。由于這項技術能夠打印出厚厚的電極結構與微觀和納米大小的子結構，為高性能電池生產(chǎn)的新方法鋪平了道路。

研究的主要作者Julia Greer教授總結道："創(chuàng)建3D打印電極，并對結構設計、尺寸以及材料進行完全控制，使我們更加接近可擴展的、可靠的固態(tài)電池制造方法，這種方法安全、機械堅固、高效。"

更多的研究細節(jié)可參見《Advanced Energy Materials 》和 《Advanced Materials Technologies》。

△3D打印的碳電極層特寫，圖片來自加州理工學院

編譯自：3dprintingindustry