Un nuovo metodo di stampa 3D potrebbe prolungare la durata della batteria dello smartphone
Gli ingegneri della Carnegie Mellon University hanno sviluppato un nuovo metodo di elettrodi per batterie di stampa 3D che crea una struttura microlattice 3D con porosità controllata. Il loro metodo di stampa 3Dpotrebbe portare a una capacità notevolmente migliorata e tassi di scarica di carica per le batterie agli ioni di litio.
La capacità della batteria agli ioni di litio può essere notevolmente migliorata se i loro elettrodi hanno pori e canali. Fino ad ora, la geometria interna che produceva i migliori elettrodi porosi attraverso la produzione additiva era la geometria interdigitata (cioè i poli metallici interbloccati come le dita di due mani, con il litio che si sposta tra i due lati), che consente al litio di trasportare attraverso la batteria efficiente durante la carica e lo scarico, ma non è ottimale.
Rahul Panat, professore associato di ingegneria meccanica presso la Carnegie Mellon University, e un team di ricercatori di Carnegie Mellon in collaborazione con la Missouri University of Science and Technology hanno sviluppato un nuovo metodo per fabbricare elettrodi per batteria usando la stampa 3D aerosol jet, ei loro risultati sono pubblicato sulla rivista Additive Manufacturing .
La vista in sezione mostra la maglia d’argento che consente il trasporto della carica (ioni Li +) al collettore corrente e il modo in cui è stata utilizzata la maggior parte del materiale stampato.
Credit: Rahul Panat, Carnegie Mellon University College of Engineering
“Nel caso delle batterie agli ioni di litio, gli elettrodi con architetture porose possono portare a maggiori capacità di carica”, ha affermato Panat. “Ciò è dovuto al fatto che tali architetture consentono al litio di penetrare attraverso il volume dell’elettrodo portando a un utilizzo dell’elettrodo molto elevato, e quindi a una maggiore capacità di stoccaggio dell’energia.”
Nelle batterie normali, il 30-50% del volume totale dell’elettrodo non è utilizzato. “Il nostro metodo risolve questo problema utilizzando la stampa 3D dove creiamo un’architettura a elettrodi microlattice che consente il trasporto efficiente del litio attraverso l’intero elettrodo, che aumenta anche i tassi di ricarica della batteria”, ha spiegato Panat.
La struttura microlattice (Ag) utilizzata come elettrodi delle batterie agli ioni di litio ha dimostrato di migliorare le prestazioni della batteria in diversi modi, come un aumento quadruplo della capacità specifica e un aumento duplice della capacità area rispetto a un elettrodo a blocco solido (Ag). Inoltre, gli elettrodi hanno mantenuto le loro complesse strutture tridimensionali 3D dopo quaranta cicli elettrochimici dimostrando la loro robustezza meccanica.
Immagini SEM di elettrodi stampati in 3D per batterie agli ioni di litio utilizzate per il ciclo elettrochimico nello studio dei ricercatori. Immagine prelevata da elettrodi di microlattice con altezza di circa 250 mm. Fonte: Rahul Panat e Mohammad Sadeq Saleh
Fino ad ora, gli sforzi della batteria con stampa 3D erano limitati alla stampa basata su estrusione, in cui un filo di materiale viene estruso da un ugello, creando strutture continue.
I ricercatori di Carnegie Mellon hanno sviluppato il proprio metodo di stampa 3D per creare le architetture di microlattice poroso sfruttando al tempo stesso le funzionalità esistenti di un sistema di stampa Aerosol Jet 3D. Con questo metodo, i ricercatori sono in grado di stampare in 3D gli elettrodi della batteria assemblando rapidamente singole gocce in strutture 3D. Le strutture risultanti hanno geometrie complesse impossibili da fabbricare utilizzando i tipici metodi di estrusione.
“Poiché queste goccioline sono separate l’una dall’altra, possiamo creare queste nuove geometrie complesse”, ha affermato Panat. “Se si trattasse di un singolo flusso di materiale, come nel caso della stampa per estrusione, non saremmo in grado di crearli.” Questa è una novità: non credo che nessuno abbia usato la stampa 3D per creare questi tipi di strutture complesse. ”
Questo metodo di stampa 3D sarà molto importante per l’elettronica di consumo, l’industria dei dispositivi medici e le applicazioni aerospaziali. I ricercatori stimano che questa tecnologia sarà pronta per essere tradotta in applicazioni industriali in circa 2-3 anni.
