I ricercatori personalizzano il contenuto in grafene nel filamento su misura per anodi porosi stampati in 3D nelle batterie

I ricercatori personalizzano il contenuto in grafene nel filamento su misura per anodi porosi stampati in 3D nelle batterie

Le batterie a lunga durata e ricaricabili agli ioni di litio (Li-ion) hanno un’alta densità di energia e una bassa autoscarica, e trovano la loro strada nelle applicazioni aerospaziali e militari, tra le altre. Poiché la domanda di consumo di energia aumenta allo stesso tempo della pressione per ridurre il nostro utilizzo di combustibili fossili, la nostra società sta lavorando sodo per trovare modi innovativi di produzione di dispositivi di accumulo di energia .
La stampa 3D è stata utilizzata in passato per fabbricare elettrodi porosi per batterie agli ioni di litio e persino per le batterie stesse. Un gruppo collaborativo di ricercatori della Manchester Metropolitan University , della China Central South University e dell’Università di Chester ha recentemente pubblicato un documento intitolato ” Produzione additiva di prossima generazione: i filamenti di grafene / polilattici (acidi) personalizzabili consentono la fabbricazione di anodi porosi stampabili 3D per Utilizzo all’interno di batterie agli ioni di litio “sul loro lavoro che applica gli anodi a Li-ion all’interno di batterie Li-ion stampate in 3D, realizzate con un filamento in grafene / PLA su misura che consente di adattare il contenuto di grafene in modo semplice.

L’abstract dice: “Dimostriamo che un contenuto di grafene di 20%. % mostra una conduttività sufficiente e una stampabilità 3D critica ed efficace per la produzione rapida di anodi freestanding stampati in 3D (3DA); semplificando i componenti della batteria agli ioni di litio annullando la necessità di un collettore di corrente in rame. Le 3DA sono caratterizzate dal punto di vista chimico-fisico ed elettrochimico e possiedono una conduttività sufficiente per gli studi elettrochimici. Criticamente, si è riscontrato che se le 3DA vengono utilizzate nelle batterie agli ioni di litio, la capacità specifica è molto scarsa, ma può essere notevolmente migliorata attraverso l’uso di un pretrattamento chimico. Tale trattamento induce un’aumentata porosità, che si traduce in un aumento di 200 volte (dopo stabilizzazione dell’anodo) della capacità specifica (circa 500 mAh g -1 a una densità di corrente di 40 mA g-1 ). Questo lavoro migliora significativamente il settore della produzione additiva / dispositivi di archiviazione di energia basati su grafene stampati in 3D che dimostrano che è possibile realizzare utili batterie 3D stampabili. “

Molti ricercatori stanno lavorando con nuovi nanomateriali come nanotubi di carbonio e grafene ai fini della stampa 3D di nuovi dispositivi di memorizzazione dell’energia, come le batterie a base di Li, poiché la tecnologia può essere utilizzata per creare strutture con un’ampia superficie – utile quando si tratta di capacità energetiche. Questo particolare team ha utilizzato la tecnologia FDM (basata sull’estrusione) per creare anodi a Li-ion da filamenti di grafene / PLA 3D stampabili su misura. Hanno anche eseguito la caratterizzazione elettrochimica e fisico-chimica, per assicurarsi che il contenuto di grafene fosse ottimizzato per controllare la conduttività, l’attività elettrochimica e la stampabilità 3D dei loro anodi freestanding stampati in 3D o 3DA.

I ricercatori hanno affermato che “… questo approccio semplifica i componenti della batteria agli ioni di litio, annullando la necessità di un collettore di corrente in rame”.

Il team ha utilizzato Autodesk Fusion 360 per creare i progetti stampati in 3D per questo lavoro: un elettrodo circolare a disco, di 1,0 mm di spessore, con una gamma di diametri, e stampato a 190 ° C, con un estrusore a trasmissione diretta, su una stampante ZMorph 3D . I filamenti di grafene / PLA stampabili 3D sono stati realizzati con una gamma di nanoplatelets di grafene da 1, 5, 15, 20 e 40% in peso, che sono stati convalidati mediante analisi termogravimetrica (TGA).

“In breve, la fabbricazione di filamenti di grafene / PLA contenenti percentuali superiori a 20  wt . % sono estremamente fragili e altamente non riproducibili in termini di omogeneità, stampabilità e integrità strutturale; inoltre filamenti con un peso . La percentuale di grafene al di sotto del 10% non offriva una percolazione sufficiente ( cioè alta resistività) “, hanno scritto i ricercatori.

“Pertanto, abbiamo riscontrato che il 15-20% è il peso ottimale . % quando si considerano le nanoplatelets di grafene … dove la resistività diminuisce e la conduttività aumenta “.

Dopo aver ottimizzato il contenuto di grafene, il team ha utilizzato il filamento con 20 wt. % grafene per anodi di test di stampa 3D per una maggiore caratterizzazione fisico-chimica. Hanno inoltre completato un’analisi Raman sugli anodi e un’analisi XPS; il secondo prevedeva di effettuare scansioni ad alta risoluzione “oltre i picchi del fotoelettrone C 1 e O 1”, che erano ampi e di forma strana. L’analisi ha mostrato che il PLA era presente in due forme, all’incirca agli stessi livelli, come nei campioni di grafene / PLA.

“In sintesi, l’analisi XPS rivela che l’elevato volume di grafene all’interno del filamento di grafene / PLA è completamente disperso all’interno del PLA creando una via conduttiva in tutto il campione, confermando così la suddetta caratterizzazione elettrochimica e fisico-chimica”, hanno scritto i ricercatori.

Infine, il team ha valutato le capacità energetiche dei 3DA in una configurazione a batteria agli ioni di litio e ha scoperto che le 3DA del grafene hanno una risposta elettrochimica relativamente bassa. Per capire meglio, hanno analizzato la topografia del grafene 3DA, che ha dimostrato che la sua superficie non ha una buona porosità per gli elettroliti bagnanti. Introducendo un semplice pretrattamento chimico di NaOH alle 3DA per 24 ore, i ricercatori sono stati in grado di indurre porosità e superare questa limitazione.

Per capire meglio, hanno usato la diffrazione a raggi X per analizzare la struttura cristallina del grafene / PLA sia prima che dopo questo pre-trattamento, spiegando che le immagini SEM e i modelli XRD mostrano che il materiale non ha perso la sua struttura 3D ” ma ora offre un eccellente comportamento / prestazioni elettrochimici. “

“… suggeriamo che il grafene incorporato all’interno della 3DA, sia prevalentemente grafene nel suo comportamento elettrochimico, e che l’aumentata area superficiale delle nanoparticelle di grafene all’interno del composito fornisca i migliori risultati energetici”, hanno affermato i ricercatori. “I risultati qui presentati migliorano il campo della produzione additiva / dispositivi di memorizzazione di energia basati su grafene stampati 3D con l’utilizzo di un filamento di grafene / PLA su misura, e con un semplice trattamento chimico dell’anodo stampato 3D può mostrare un aumento di 200 volte all’interno la capacità specifica (dopo la stabilizzazione dell’anodo). “

Il team ha determinato che gli anodi freestanding stampati in 3D con un 20 wt. % contenuto di grafene ha avuto la stampabilità e la conduttività 3D più efficaci.

“I risultati qui presentati migliorano in modo significativo il settore della produzione additiva / dispositivi di archiviazione di energia basati su grafene stampati 3D che dimostrano che è possibile realizzare utili batterie 3D stampabili”, conclude il documento.

Co-autori sono il Dr. Christopher W. Foster, il Dr. Guo-Qiang Zou, Yunling Jiang, il Dr. Michael P. Down, il Dr. Christopher M. Liauw, Alejandro Garcia-Miranda Ferrari, il Prof. Xiaobo Ji, il Prof. Graham C Smith, il Prof. Peter J. Kelly e il Prof. Craig E. Banks.

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