首款用于鋰離子電池的3-D印刷電解液

研究人員首次成功地印刷了一種完整的，雖然是實驗性的鋰離子電池，包括一種固態(tài)電解質。雖然以前使用3D打印技術生產電極，但伊利諾伊大學芝加哥工程學院的研究人員使用高溫擠壓印刷技術印刷了穩(wěn)定而柔韌的固態(tài)電解質。他們在雜志上報告了他們的發(fā)現先進材料。

鋰離子電池通常用于家用和便攜式電子設備以及一些機動車輛中。它們通過鋰離子從負電極通過電解質(其可以是液體或固體)在放電期間移動到正電極然后在充電階段期間返回而起作用。

批量生產這些電池是費力且昂貴的過程。需要將單獨制造的電極和電解質放在一起并放置在殼體內。需要受控環(huán)境以避免污染，并且需要大量涂層和修改來完成電池。對于傳統(tǒng)的生產，電池尺寸不容易改變，也不能修改單個電池以適合特定的設備，因為它需要將用于生產電池的機器重置為新的規(guī)格。

由于所有部件一次打印在一起，因此3D打印可以更快速，更便宜地生產和定制電池。在電極經過3D打印的鋰離子電池中，以后總是在單獨的步驟中添加常規(guī)生產的電解質。

在傳統(tǒng)的固態(tài)電解質生產中，電池外殼需要用在電解質生產中使用的各種涂料和溶劑制備，然后必須在后生產步驟中蒸發(fā)掉。如果將電解質直接印刷到成型的3-D印刷電池中，蒸發(fā)會導致電解質收縮并從電極上脫離。這可能會導致電池短路。用于確保電解質與外殼和電極良好接觸的涂層也極難結合到3D打印電池中。

為了解決這些問題，副教授Reza Shahbazian-Yassar和UIC工程學院機械和工業(yè)工程助理教授Yayue Pan以及同事們設計了一款獨特的3D高速打印機。與傳統(tǒng)的擠壓3-D打印相比，它在大約120攝氏度下擠出材料，這是在室溫下進行的。它們的固態(tài)電解質油墨由含有氧化鈦顆粒的聚合物基料組成，使其具有柔韌性和功能性。獨特的電解質墨水可以在打印時直接沉積到電池中。

“高溫可以防止產后縮減，”UIC工程學院研究生，該研究的第一作者孟成說。“我們的技術大大提高了電解質制備的效率，并將其加入電池中。”

Shahbazian-Yassar的實驗性3-D印刷電池具有比使用傳統(tǒng)方法制造電解質的電池更高的充電/放電容量和更好的性能。“高溫直寫和我們的專業(yè)油墨是3D打印鋰離子電池的概念驗證，”Reza說。