加州理工學(xué)院：DLP 3D打印技術(shù)制造晶格結(jié)構(gòu)鋰電池電極

2021年2月10日,，南極熊獲悉,，來(lái)自加州理工學(xué)院（Caltech）的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種3D打印鋰離子電池電極的新方法,。

研究人員利用DLP 3D打印技術(shù)，制造出復(fù)雜的聚合物結(jié)構(gòu),，然后通過(guò)熱后處理轉(zhuǎn)化為有用的電極材料,。最終的碳和鈷氧化鋰結(jié)構(gòu)分別被證明可以作為陽(yáng)極和陰極使用,，并稱(chēng)具有優(yōu)異的電池性能和穩(wěn)定性。

加州理工學(xué)院研究生Kai Narita解釋說(shuō)："已知聚合物的熱解會(huì)導(dǎo)致碳的形成,。我們的方法利用這一現(xiàn)象來(lái)制造3D打印碳材料,。我們使用一種市售的光刻膠與DLP數(shù)字光處理工藝打印來(lái)創(chuàng)建3D聚合物結(jié)構(gòu)，然后在1000˚C的溫度下熱解,，將其轉(zhuǎn)化為碳的結(jié)構(gòu),。"

△通過(guò)DLP 3D打印的復(fù)雜電極幾何體，圖片來(lái)自加州理工學(xué)院

鋰離子電池的局限性

自50年前發(fā)明以來(lái),，鋰離子電池已成為現(xiàn)代人類(lèi)生活中不可或缺的一部分,，為從消費(fèi)電子產(chǎn)品到軍用衛(wèi)星等各種產(chǎn)品提供動(dòng)力。因此,，在電化學(xué)領(lǐng)域,，有大量的研究專(zhuān)門(mén)針對(duì)提高儲(chǔ)能設(shè)備的容量，同時(shí)使其更小,、更便宜,、更快充電。

除了可以讓我們的手機(jī)續(xù)航更長(zhǎng)之外,，更好的電池對(duì)氣候變化也有重大影響,，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭鷾p少對(duì)化石燃料的依賴(lài)，而促進(jìn)可再生能源的使用,。遺憾的是,，電動(dòng)汽車(chē)以及風(fēng)能和太陽(yáng)能電網(wǎng)儲(chǔ)能等應(yīng)用，即使是最前沿的技術(shù),，也仍然受到目前能量密度和充電速率的限制,。

在傳統(tǒng)的平面電極鋰離子電池中，能量密度(可存儲(chǔ)的能量量)和功率密度(能量釋放率)往往是耦合的,。例如,，增加電極的質(zhì)量將增加其能量密度，但由于電極厚度的增加,，離子和電子被迫在放電前移動(dòng)更多的距離,，從而降低其功率密度。如果將這種關(guān)系解耦,，儲(chǔ)能設(shè)備的能量密度和功率密度都可以同時(shí)提高,。這就是3D打印的作用。

△3D打印碳電極的SEM成像,，圖片來(lái)自加州理工學(xué)院

3D打印幫了大忙

雖然近年來(lái)3D打印實(shí)際上已經(jīng)開(kāi)始探索應(yīng)用,，但之前的嘗試主要依靠納米油墨擠出，這并不適合高分辨率的零件,。而光聚合則解決了分辨率的問(wèn)題,，但由于它是基于聚合物化學(xué)的,，所以通常與電極材料不兼容。

利用DLP-熱解技術(shù),，加州理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)能夠?qū)�兩者的�?yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái),，用電極材料生產(chǎn)高分辨率的電極。由于這項(xiàng)技術(shù)能夠打印出厚厚的電極結(jié)構(gòu)與微觀和納米大小的子結(jié)構(gòu),，為高性能電池生產(chǎn)的新方法鋪平了道路,。

研究的主要作者Julia Greer教授總結(jié)道："創(chuàng)建3D打印電極，并對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、尺寸以及材料進(jìn)行完全控制,，使我們更加接近可擴(kuò)展的、可靠的固態(tài)電池制造方法,，這種方法安全,、機(jī)械堅(jiān)固、高效,。"

更多的研究細(xì)節(jié)可參見(jiàn)《Advanced Energy Materials 》和 《Advanced Materials Technologies》,。

△3D打印的碳電極層特寫(xiě)，圖片來(lái)自加州理工學(xué)院

編譯自：3dprintingindustry