首款用于鋰離子電池的3-D印刷電解液

研究人員首次成功地印刷了一種完整的，雖然是實(shí)驗(yàn)性的鋰離子電池，包括一種固態(tài)電解質(zhì)。雖然以前使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)電極，但伊利諾伊大學(xué)芝加哥工程學(xué)院的研究人員使用高溫?cái)D壓印刷技術(shù)印刷了穩(wěn)定而柔韌的固態(tài)電解質(zhì)。他們?cè)陔s志上報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)先進(jìn)材料。

鋰離子電池通常用于家用和便攜式電子設(shè)備以及一些機(jī)動(dòng)車(chē)輛中。它們通過(guò)鋰離子從負(fù)電極通過(guò)電解質(zhì)(其可以是液體或固體)在放電期間移動(dòng)到正電極然后在充電階段期間返回而起作用。

批量生產(chǎn)這些電池是費(fèi)力且昂貴的過(guò)程。需要將單獨(dú)制造的電極和電解質(zhì)放在一起并放置在殼體內(nèi)。需要受控環(huán)境以避免污染，并且需要大量涂層和修改來(lái)完成電池。對(duì)于傳統(tǒng)的生產(chǎn)，電池尺寸不容易改變，也不能修改單個(gè)電池以適合特定的設(shè)備，因?yàn)樗枰獙⒂糜谏a(chǎn)電池的機(jī)器重置為新的規(guī)格。

由于所有部件一次打印在一起，因此3D打印可以更快速，更便宜地生產(chǎn)和定制電池。在電極經(jīng)過(guò)3D打印的鋰離子電池中，以后總是在單獨(dú)的步驟中添加常規(guī)生產(chǎn)的電解質(zhì)。

在傳統(tǒng)的固態(tài)電解質(zhì)生產(chǎn)中，電池外殼需要用在電解質(zhì)生產(chǎn)中使用的各種涂料和溶劑制備，然后必須在后生產(chǎn)步驟中蒸發(fā)掉。如果將電解質(zhì)直接印刷到成型的3-D印刷電池中，蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)收縮并從電極上脫離。這可能會(huì)導(dǎo)致電池短路。用于確保電解質(zhì)與外殼和電極良好接觸的涂層也極難結(jié)合到3D打印電池中。

為了解決這些問(wèn)題，副教授Reza Shahbazian-Yassar和UIC工程學(xué)院機(jī)械和工業(yè)工程助理教授Yayue Pan以及同事們?cè)O(shè)計(jì)了一款獨(dú)特的3D高速打印機(jī)。與傳統(tǒng)的擠壓3-D打印相比，它在大約120攝氏度下擠出材料，這是在室溫下進(jìn)行的。它們的固態(tài)電解質(zhì)油墨由含有氧化鈦顆粒的聚合物基料組成，使其具有柔韌性和功能性。獨(dú)特的電解質(zhì)墨水可以在打印時(shí)直接沉積到電池中。

“高溫可以防止產(chǎn)后縮減，”UIC工程學(xué)院研究生，該研究的第一作者孟成說(shuō)。“我們的技術(shù)大大提高了電解質(zhì)制備的效率，并將其加入電池中。”

Shahbazian-Yassar的實(shí)驗(yàn)性3-D印刷電池具有比使用傳統(tǒng)方法制造電解質(zhì)的電池更高的充電/放電容量和更好的性能。“高溫直寫(xiě)和我們的專業(yè)油墨是3D打印鋰離子電池的概念驗(yàn)證，”Reza說(shuō)。