3-D-Druck der nächsten Batteriegeneration

Die Gitterarchitektur kann Kanäle für einen effektiven Elektrolyttransport innerhalb des Materialvolumens bereitstellen, während bei der Würfelelektrode der größte Teil des Materials dem Elektrolyten nicht ausgesetzt ist. Die Querschnittsansicht zeigt das Silbernetz, das den Ladungstransport (Li+-Ionen) zum Stromkollektor ermöglicht und wie der größte Teil des gedruckten Materials verwendet wurde. Bildnachweis: Rahul Panat, Carnegie Mellon University College of Engineering

Die additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt, kann verwendet werden, um poröse Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien herzustellen攂allerdings ist das Design dieser 3D-gedruckten Elektroden aufgrund der Natur des Herstellungsverfahrens auf wenige Möglichkeiten beschränkt Architekturen. Bisher war die interne Geometrie, die die besten porösen Elektroden durch additive Fertigung erzeugte, eine sogenannte Interdigitalgeometrie – die gesamten Zinken verzahnten sich wie die Finger zweier gefalteter Hände, wobei das Lithium zwischen den beiden Seiten hin und her pendelte.

Die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien kann erheblich verbessert werden, wenn ihre Elektroden im Mikromaßstab Poren und Kanäle aufweisen. Eine ineinandergreifende Geometrie ermöglicht zwar einen effizienten Transport von Lithium während des Ladens und Entladens, ist jedoch nicht optimal.

Rahul Panat, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Carnegie Mellon University, und ein Forscherteam der Carnegie Mellon haben in Zusammenarbeit mit der Missouri University of Science and Technology eine revolutionäre neue Methode zum 3D-Drucken von Batterieelektroden entwickelt, die ein 3D . erzeugt Mikrogitterstruktur mit kontrollierter Porosität. 3D-Druck dieser Mikrogitterstruktur, zeigen die Forscher in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Additive Fertigung, verbessert die Kapazität und die Lade-Entlade-Raten von Lithium-Ionen-Akkus erheblich.

„Bei Lithium-Ionen-Batterien können die Elektroden mit poröser Architektur zu höheren Ladekapazitäten führen“, sagt Panat. „Das liegt daran, dass solche Architekturen dem Lithium erlauben, durch das Elektrodenvolumen zu dringen, was zu einer sehr hohen Elektrodenausnutzung und damit zu einer höheren Energiespeicherkapazität führt. In normalen Batterien werden 30-50% des gesamten Elektrodenvolumens ungenutzt. Unsere Methode überwindet dieses Problem. durch den 3D-Druck, bei dem wir eine Mikrogitter-Elektrodenarchitektur schaffen, die den effizienten Transport von Lithium durch die gesamte Elektrode ermöglicht, was auch die Laderaten der Batterie erhöht.”

3D-Druck der nächsten Generation von Batterien
Mikrogitter. Bildnachweis: Rahul Panat, Carnegie Mellon University College of Engineering

Das in Panats Beitrag vorgestellte additive Fertigungsverfahren stellt einen großen Fortschritt beim Drucken komplexer Geometrien für 3D-Batteriearchitekturen dar und ist ein wichtiger Schritt zur geometrischen Optimierung von 3D-Konfigurationen für die elektrochemische Energiespeicherung. Die Forscher schätzen, dass diese Technologie in etwa 2-3 Jahren für industrielle Anwendungen bereit sein wird.

Es wurde gezeigt, dass die als Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien verwendete Mikrogitterstruktur (Ag) die Batterieleistung auf verschiedene Weise verbessert, z. B. durch eine vierfache Erhöhung der spezifischen Kapazität und eine zweifache Erhöhung der Flächenkapazität im Vergleich zu einer Festblockelektrode (Ag). Darüber hinaus behielten die Elektroden nach vierzig elektrochemischen Zyklen ihre komplexen 3-D-Gitterstrukturen bei, was ihre mechanische Robustheit demonstrierte. So können die Batterien bei gleichem Gewicht eine hohe Kapazität oder bei gleicher Kapazität ein stark reduziertes Gewicht aufweisen – ein wichtiges Merkmal für Transportanwendungen.

Die Forscher von Carnegie Mellon entwickelten ihre eigene 3D-Druckmethode, um die porösen Mikrogitterarchitekturen zu erzeugen und gleichzeitig die vorhandenen Fähigkeiten eines Aerosol Jet-3D-Drucksystems zu nutzen. Das Aerosol Jet-System ermöglicht es den Forschern auch, planare Sensoren und andere Elektronik im Mikromaßstab zu drucken, das Anfang dieses Jahres am College of Engineering der Carnegie Mellon University eingesetzt wurde.

3-D-Druck der nächsten Batteriegeneration
SEM-Bilder von 3D-gedruckten Elektroden für Li-Ionen-Batterien, die in der Studie der Forscher für elektrochemische Zyklen verwendet werden. Aufnahme von der Oberseite von Mikrogitterelektroden mit einer Höhe von etwa 250 mm. Bildnachweis: Rahul Panat und Mohammad Sadeq Saleh

Bisher beschränkten sich die Bemühungen um 3D-gedruckte Batterien auf den Druck auf Extrusionsbasis, bei dem ein Materialdraht aus einer Düse extrudiert wird, wodurch kontinuierliche Strukturen erzeugt werden. Mit dieser Methode waren ineinandergreifende Strukturen möglich. Mit der in Panats Labor entwickelten Methode können die Forscher die Batterieelektroden in 3D drucken, indem sie einzelne Tröpfchen schnell nacheinander zu dreidimensionalen Strukturen zusammenfügen. Die resultierenden Strukturen haben komplexe Geometrien, die mit typischen Extrusionsverfahren nicht hergestellt werden können.

„Da diese Tröpfchen voneinander getrennt sind, können wir diese neuen komplexen Geometrien erstellen“, sagt Panat. „Wenn dies ein einziger Materialstrom wäre, wie es beim Extrusionsdruck der Fall ist, könnten wir sie nicht herstellen. Das ist eine neue Sache. Ich glaube, bis jetzt hat noch niemand den 3D-Druck verwendet solche komplexen Strukturen schaffen.”

Diese revolutionäre Methode wird für die Unterhaltungselektronik, die Medizingeräteindustrie sowie für Luft- und Raumfahrtanwendungen von großer Bedeutung sein. Diese Forschung lässt sich gut in biomedizinische elektronische Geräte integrieren, für die miniaturisierte Batterien erforderlich sind. Auch nicht-biologische elektronische Mikrogeräte werden von dieser Arbeit profitieren. Auch elektronische Geräte, kleine Drohnen und Luft- und Raumfahrtanwendungen selbst können diese Technologie aufgrund des geringen Gewichts und der hohen Kapazität der so gedruckten Batterien im größeren Maßstab nutzen.

Das Team, zu dem auch Maschinenbau Ph.D. Auch der Student Mohammad Sadeq Saleh und der Postdoktorand Jie Li (Missouri University of Science and Technology) arbeiten an komplexeren dreidimensionalen Strukturen, die gleichzeitig als Strukturmaterialien und als Funktionsmaterialien verwendet werden können. Ein Teil einer Drohne kann beispielsweise als Flügel, als Strukturmaterial, fungieren und gleichzeitig als Funktionsmaterial wie eine Batterie fungieren.


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