3D Печать батареи

Все твердотельные батареи, как новый тип технологии батарей, в последние годы получили широкое внимание и исследования. По сравнению с традиционными жидкостными батареями все твердотельные батареи имеют более высокую плотность энергии, более высокую скорость зарядки и разрядки, а также более высокую безопасность.

Однако все твердотельные батареи сталкиваются с рядом сложных проблем в их разработке, среди которых решение проблем с интерфейсом становится решающим, включая побочные реакции интерфейса и стабильность взаимодействия между твердым электролитом и электродными материалами. Кроме того, необходимо дополнительно оптимизировать и улучшить производственные затраты и срок службы всех твердотельных батарей.

Применение технологии 3D-печати в области аккумуляторные батареи

Как новая технология производства, 3D-печать может точно контролировать форму и структуру от микро до макро без использования какого-либо шаблона, тем самым улучшая плотность энергии и плотность мощности батарей. С быстрым развитием технологии 3D-печати все больше и больше исследователей пытаются использовать технологию 3D-печати для подготовки всех твердотельных батарей, предоставляя больше возможностей для массового производства твердотельных батарей.

Обзор материалов и процессов для батарей 3D-печати

Имеет значительные преимущества в следующих аспектах: (1) сложная структура, необходимая для производства; (2) точный контроль формы и толщины электрода; (3) Печать твердотельного электролитного состава с высокой стабильностью и безопасной работой; (4) Низкая стоимость, экологичность и простота в эксплуатации; (5) Устранение этапов сборки и упаковки устройств путем непосредственной интеграции аккумуляторов и других электронных устройств.

Технология 3D-печати

В настоящее время технологии 3D-печати, используемые для твердотельных батарей, включают в себя в основном инжекционный формование связующего материала (или шлама), технологию порошкового лазерного спекания SLS и фотоотверждающий формование SLA \ DLP.

Клеевой (или шлам), распыляемой формы

Клей можно избирательно распылить на поверхность электродного порошка на токосъемнике через сопло, а затем порошковый материал можно скреплить вместе, образуя сплошной слой, слой склеиванием слоя и, наконец, образуя 3D-электрод. При движении вперед-назад два-три раза можно приклеить тонкий слой электрода, а следующий слой порошка может быть одним материалом или материалом электролита. Для изготовления сухих электродов или всех твердотельных батарей можно использовать электроды или батареи любой формы, постоянно связывающие каждый слой по слоям.

Порошковая лазерная спекание технология SLS

Процесс печати SLS достигается за счет использования порошковых материалов с высокой мощностью лазерного луча, излучающих спекание. Область, в которой облучен лазер, быстро расплавится и склеится в форму, а необлучаемый порошок все еще может быть переработан. На такой печатной платформе можно изготовить несколько пластин электродов.

Этот метод, наряду с технологией формирования спрея связующего вещества (или шлама), должен обеспечить производство сухих электродов.

УФ-ОТВЕРЖДЕНИЕ SLA/DLP

Принцип заключается в облучении полимерного электролита или органически-неорганического смешанного электролита твердотельных батарей ультрафиолетовым светом или светлой поверхностью, что делает их застывшей слоем и накладывает на форму. Однако из-за неполной разработки материалов необходимо добавить некоторые нефункциональные фотополимеризации, что снизит производительность батареи, поэтому сфера применения ограничена.

Твердотельные батареи для 3D-печати

3D-печать — перспективная технология применения твердотельных батарей. Благодаря возможности этой технологии использовать различные типы печатных материалов, исследователи могут изменять трехмерную структуру электродов, электролитов, сепараторов и штабелировать в батареях.

Конструкция положительного электрода

Применение технологии 3D-печати позволяет создавать положительные электродные материалы для литиевых батарей, обеспечивая контролируемое преобразование из двухмерных электродов в трехмерные электроды, улучшая поверхностную активность электродов, сокращая расстояние транспортировки ионов и обеспечивая подготовку высоконагруженных положительных электродов. Кроме того, управляемость толщины положительного электродного материала может достичь регулируемого качества активного материала, в конечном итоге достигая цели высокой плотности энергии и высокой плотности литиевых батарей.

Положительный и отрицательный электроды для батареи 3D-печати

Структурированный отрицательный электрод

При использовании отрицательных электродов литиевой батареи построение структурированных отрицательных электродов из лития-металла посредством 3D-печати может увеличить определенную площадь поверхности электрода, равномерно распределить общее электрическое поле по пористому электроду, достичь цели снижения эффективной плотности тока, равномерного осаждения, и подавление увеличения объема электрода, тем самым повышая стабильность цикла и безопасность аккумулятора. Кроме того, для достижения контролируемой морфологии материала печати и шаблона можно использовать технологию 3D-печати. Электрохимические методы осаждения или плавления могут эффективно контролировать процессы осаждения/растворения металлического лития, подавлять рост дендритов лития, и достигать цели длительного срока службы литиевых металлических батарей, решая проблему коротких замыканий батареи.

Конструкция диафрагмы/твердого электролита

Благодаря постоянному развитию технологии 3D-печати электролит батарей также может быть напечатан напрямую, что позволяет сократить производственные процедуры, время и затраты. Однако из-за ограничений в отношении стабильности воздуха сульфидные и галогенидные электролиты могут не пригодиться для печати. Поэтому полимерные и оксидные электролиты — это тип твердотельного электролита, который может быть напечатен в 3D-режиме во всех твердотельных батареях.

Мембраны для 3D-печати могут достичь рационального проектирования мембранной структуры и равномерного ионного потока, уменьшая образование дендритов лития. Для достижения высокой ионной проводимости в твердотельных литиевых батареях обычно необходимо включить твердые электролиты в активный материал положительного электрода. Этот надежный интерфейс должен быть бесшовным и иметь достаточную гибкость для соответствия геометрическим изменениям, вызвенным процессом зарядки и разрядки. 3D-печать может точно оптимизировать структуру интерфейса для соответствия жестким требованиям к твердотельным интерфейсам в твердотельных литиевых металлических батареях.