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    科學家門正研究3D打印電池
    作者:管理員    發布于:2021-08-12 17:43:17    文字:【】【】【
    Jennifer A. Lewis回憶,最初將3D打印用在新能源車載鋰電池上大顯身手的靈感,是一次與Shen J. Dillon的討論中產生的,兩人一致認為,這個想法在理論上是行得通的,于是共同開始針對這個項目進行研究工作。


    photocentric的LC Maximus機器


    2013年,Lewis進入哈佛大學并發表論文《3D打印交叉式鋰離子微電池架構》,該論文受到了幾家電池公司的關注。Lewis和她的團隊研究展示了一種3D打印技術,以絲狀形式對功能墨水進行圖案化,尺寸可以小至1微米。

    油墨的成分和流變性也進行了優化,以確保它們能夠流經沉積噴嘴,電池電極的打印厚度約為30微米,同時,材料還需要具有結構完整,能承受干燥和燒結,而不會分層或變形。在配制了這些材料之后,他們開辟出了3D打印的新天地。



    Lewis表示:“一個由3D打印完成的電池,從一開始就不是我們想要的最終結果。重要的是,我們發現這種電池性能類似于散裝電池,微尺度打印的能力絲毫沒有降低性能,使創造小電池成為可能。我們正在嘗試打印一種功能電池,它只有一粒沙子的大小,卻可多次充電?!?/span>

    幾年后,針對3D打印鋰電池的討論蔓延到了英國,Photocentric公司總經理Paul Holt與化學研發部負責人Sarah Karmel博士也在討論電池內的能量密度,思考3D打印在此類應用中的功效,并與行業合作伙伴取得聯系。2020年9月,公司成立了一個專門研究3D打印電池的部門,啟動多個項目來探索電極的架構、結構和制造。


    △化學研發部負責人Sarah Karmel博士


    Karmel博士表示:“厚電極的概念已經存在一段時間了,它們是獲得高能量密度電池的最簡單方法。問題是厚的電極阻礙了鋰離子的流動。但我們可以通過設計孔隙率和鋰離子流動通道來解決這個問題,3D打印就是最好的解決方法?!?/span>

    與此同時,遠在美國的Lewis的團隊已經證明了打印電池的正負極的能力,打印了所有的電池組件,這是他們創造應用方向的動機。


    △鋰離子電動汽車電池


    Lewis 解釋道:“有了這種能力就能超越微型電池。當我們第一次用3D打印做這個項目時,其中一個驅動因素是,你可以制造出紐扣電池、淤泥圓筒、薄膜微電池,但是你沒有其他選擇。電池制造商通過用3D打印技術來制造特定形狀的電池,比如你有一個助聽器,想要在助聽器里用不到的空間都裝上電池,你可以打印一個不同形狀的三維電池,這樣不僅提高體積效率,而且為電池開辟設計空間?!?/span>

    這也是Photocentric進軍電池領域的關鍵動機。該公司主要利用LCD屏幕3D打印技術推動研究工作。雖然大部分技術是由IP保護的,但Karmel博士簡單介紹了公司的LC Maximus機器,該設備由920 x 510 x 800毫米的構建體積和43英寸液晶屏幕構成。



    同時還有一臺帶有90英寸LCD屏幕的原型機,另一個名為LC Nano的原型系統精度可降至20微米。Photocentric將這些機器與“特定類型的光聚合物基質” 結合起來,據說這種基質具有非常高的活性電極材料負載量。


    該公司目前正在參與三個項目,第一個項目集中于固體電池單一致密電極的設計;第二個是電極的結構和結構;第三個是探索電極制造的方法。Photocentric的目標是開發可商業化、大規模使用的電池。他們認為電動汽車市場迫切需要3D打印電池為其帶來的優勢。


    Karmel 說:“電動汽車的重量平均是2到3噸,如果能制造更輕的電池,這將是一個巨大的轉變。更快的充電能力和更高的能量密度,可以使電動汽車續航更久。不僅僅是電動汽車,如果一臺無人機裝上更輕的電池,就能飛的更久。對于這些輕量化應用,電池的形狀會有很大的不同?!?/span>

    在全球氣候危機和政府推動減少碳排放的行動中,電動汽車市場增長迅速。到2030年,歐盟的目標是至少有3000萬輛零碳排放汽車,而英國在去年10月宣布,計劃在逐步停止汽油和柴油汽車的銷售。Photocentric公司相信其光聚合物 3D 打印技術夠滿足這類市場所需的電池設計原則。與此同時,Lewis看到了另一個轉機-混合功能。



    Lewis認為,在3D打印電池方面,目前還落后于學術界至少10年,而且發展緩慢。但類似Photocentric、Addionics、Blackstone以及Sakuu這樣的公司的出現,讓Lewis對商業3D打印電池的發展空間信心十足。



    Lewis最后總結道:“3D打印技術在電池的形狀或外形方面開辟了設計空間,提供了更多的結構復雜性,如果考慮將它們不僅用于能源存儲,并且用于結構元素,允許將多種材料共同打印在一起,會進一步打開設計的空間,鋰電池的體積內會儲存更多的能量。我的實驗團隊目前的研究來看,我們只是觸及了皮毛,未來的發展空間相信大家都很期待!
     
     
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