电池电极的气溶胶3D打印

3D打印，也称为增材制造，已经成为许多新产品开发中的游戏规则改变者。现在，已经应用了一种新型3D打印来设计高度多孔的锂离子电池电极。新的电极几何结构有望在未来的锂离子电池中实现更高的充电速率和更高的能量密度。目前的商用锂离子电池可以被认为是二维的。平面电极彼此平行，并且锂离子通过电解质从一个电极流到另一个电极，电解质在充电和放电期间将它们分开。无论电池是圆柱形，硬币形，棱柱形还是扁平形，电池的基本结构都是相同的。

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电池的容量与参与电化学反应的活性物质的总量有关。然而，对于固体平面电极，锂离子可以穿透的距离是有限的。一种解决方案是使电极的表面非常大，但这导致电池很重并且其尺寸使得它们难以封装在小型个人电子设备或甚至电动车辆(EV)中。

然而，随着它们的电极表面积的增加，三维多孔电极将提供活性电化学材料的参与的增加。研究人员已经研究了这种应用的泡沫和其他多孔材料。他们还研究了3D打印。

传统的3D

传统的3D打印是基于挤出的，其中材料线从加热的喷嘴挤出。构建连续胎面的层层以形成结构。使用这种方法，通过增材制造产生最佳多孔电极的结构是交叉指状的几何互锁金属叉。

这种相互交叉的几何形状允许锂离子在充电和放电期间有效地穿过电池。但这不是最佳的。如果电极可以通过毛孔和通道进行3D打印，则可以提高锂离子电池的容量。

新的3D气溶胶

现在正在使用一种新型3D打印 - 使用单个液滴沉积和累积成三维结构的3D打印 - 来创建实验性3D打印电极。这是卡内基梅隆大学机械工程副教授Rahul Panat的工作。使用Panat实验室开发的方法，研究人员能够使用典型的挤压3D打印方法3D打印具有复杂几何形状的结构，这些结构是不可能制造的。

“在锂离子电池的情况下，具有多孔结构的电极可以导致更高的充电容量，”凹座在卡内基梅隆压所述释放。“这是因为这种结构允许锂穿透电极体积，导致非常高的电极利用率，从而提高能量存储容量。在普通电池中，未使用总电极体积的30%至50%。我们的方法通过使用3D打印克服了这个问题，我们创建了一个微晶格电极架构，可以在整个电极上有效地传输锂，这也提高了电池的充电速率。“

改进

正如研究人员在“增材制造”杂志上发表的一篇论文中所展示的那样，将微晶格结构3D打印为电池电极 -极大地提高了实验锂离子电池的容量和充放电率。

研究人员使用了Aerosol Jet 3D打印系统。“由于这些液滴彼此分离，我们可以创造出这些新的复杂几何形状，”帕纳特说。“如果这是一种单一的材料流，就像挤压印刷那样，我们就无法制造它们。这是一件新鲜事。我不相信任何人直到现在都使用3D打印来创造这些复杂的结构。“Panat估计3D电极印刷工艺可以在大约两到三年内为工业应用做好准备。”