3D打印高導電固體聚合物電解質，為儲能材料設計提供新選項

2022年9月19日，南極熊獲悉，新南威爾士大學悉尼分校的一個團隊已經開發(fā)出一種新的3D打印方法，可以將強大的高導電固體聚合物電解質打印成定制的形狀，以用于能源儲存。

△研究人員用一臺標準的3D打印機制作了一幅由固體聚合物電解質制成的復雜的澳大利亞地圖，然后將其作為儲能裝置進行了測試。照片來自Nathaniel Corrigan博士

這項研究由Cyrille Boyer教授帶領的化學工程學院的研究團隊完成，包括Nathaniel Corrigan博士和Kenny Lee，他們表示這種材料的3D打印過程在未來的醫(yī)療設備中可能特別有用，因為小型的、設計復雜的能量存儲提供了許多好處。

固態(tài)電解質是固態(tài)電池的一個關鍵組成部分，盡管傳統(tǒng)上它們由于離子導電率低或機械性能差而導致性能不佳。然而，在Kenny Lee等人發(fā)表于《先進材料》的一篇題為“3D PrintingNanostructured Solid Polymer Electrolytes with High Modulus and Conductivity”論文中報告說，他們3D打印出的固體聚合物電解質（SPE）具有高導電性，以及很高的強度。

相關論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202204816

這意味著固態(tài)電解質有可能被用作設備的實際結構，創(chuàng)造出一系列可以想象的設計機會，特別是對于未來的醫(yī)療產品。

Kenny Lee說："以前沒有人3D打印過固體聚合物電解質。傳統(tǒng)上，它們是用模具制造的，但這些傳統(tǒng)工藝不具備提供控制材料強度或成形復雜結構的能力。對于現(xiàn)有的固態(tài)電解質，當你增加材料的機械強度時，你會犧牲很多的導電性。如果你想要更高的導電性，材料的堅固性就會大打折扣。我們所實現(xiàn)的是兩者的同時結合，它可以被3D打印成復雜的幾何形狀。這種聚合物電解質有可能成為一種承重的儲能材料。由于它的強度，它可以被用作小型電子產品的實際結構，或在航空應用中，或在小型個人醫(yī)療設備中，因為我們的3D打印過程可以非常復雜和精確。我們可以用我們正在使用的那種系統(tǒng)創(chuàng)建真正的微小結構。因此，它在納米技術和任何你需要在微觀層面上設計能量存儲的地方都有奇妙的應用。"

△使用 SPE(50,30) 樹脂3D打印的立方螺旋晶格復雜幾何結構

增加循環(huán)穩(wěn)定性

盡管新南威爾士大學團隊開發(fā)的固體聚合物電解質被認為是一種高性能的材料，但研究人員說，它可以使用廉價和市面上的3D打印機制造，而不是復雜的工程設備。

論文中描述的SPE由嵌入剛性交聯(lián)聚合物基體中的納米級離子傳導通道組成。它是通過一個被稱為聚合誘導微相分離（PIMS）的過程產生的。

△photo-RAFT PIMS 流程概述。

為了展示該材料的多功能性，研究人員3D打印了一幅復雜的澳大利亞地圖，然后將其作為儲能裝置進行了測試。

△在功能性超級電容器中展示 3D 打印功能和直接應用。

Corrigan博士說："這種SPE在儲能設備中的其他好處之一是它增加了循環(huán)穩(wěn)定性--也就是在其容量減少到一定程度之前的充電和放電循環(huán)次數(shù)。在我們的論文中，我們表明這種材料非常穩(wěn)定，有能力在數(shù)千個循環(huán)中進行充電和放電。在3000次循環(huán)之后，大約只有10%的下降。"

△新南威爾士大學的研究人員Nathaniel Corrigan博士在實驗室里使用3D打印機工作。照片來自Corrigan博士

研究人員還表示，與其他傳統(tǒng)的制造形式相比，3D打印也減少了浪費，并降低了成本，因為同一臺機器可以用來生產各種不同形狀的材料。在未來，產品設計師可以利用他們的SPE來創(chuàng)造具有更高的能量儲存密度的物品。

提起這項研究工作，Boyer教授總結說："想象一下，這種儲能材料不僅能夠制成耳塞，同時也充當了電池。存儲密度將提高很多，因此電力將持續(xù)更長時間。我們真的希望能夠在商業(yè)化方面取得進展，因為我們已經創(chuàng)造了一些真正令人難以置信的材料和工藝。"