加州理工學院：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,，來自加州理工學院（Caltech）的研究團隊開發(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),，制造出復雜的聚合物結(jié)構(gòu),，然后通過熱后處理轉(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極和陰極使用,，并稱具有優(yōu)異的電池性能和穩(wěn)定性。

加州理工學院研究生Kai Narita解釋說："已知聚合物的熱解會導致碳的形成。我們的方法利用這一現(xiàn)象來制造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DLP 3D打印的復雜電極幾何體,，圖片來自加州理工學院

鋰離子電池的局限性

自50年前發(fā)明以來，鋰離子電池已成為現(xiàn)代人類生活中不可或缺的一部分,，為從消費電子產(chǎn)品到軍用衛(wèi)星等各種產(chǎn)品提供動力,。因此，在電化學領(lǐng)域,，有大量的研究專門針對提高儲能設備的容量,，同時使其更小、更便宜,、更快充電,。

除了可以讓我們的手機續(xù)航更長之外，更好的電池對氣候變化也有重大影響,，因為它們可以幫助減少對化石燃料的依賴,，而促進可再生能源的使用。遺憾的是,，電動汽車以及風能和太陽能電網(wǎng)儲能等應用,，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，儲能設備的能量密度和功率密度都可以同時提高,。這就是3D打印的作用,。

△3D打印碳電極的SEM成像，圖片來自加州理工學院

3D打印幫了大忙

雖然近年來3D打印實際上已經(jīng)開始探索應用,，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題,，但由于它是基于聚合物化學的,，所以通常與電極材料不兼容,。

利用DLP-熱解技術(shù)，加州理工學院的團隊能夠?qū)�兩者的�?yōu)點結(jié)合起來,，用電極材料生產(chǎn)高分辨率的電極,。由于這項技術(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,，并對結(jié)構(gòu)設計、尺寸以及材料進行完全控制,，使我們更加接近可擴展的,、可靠的固態(tài)電池制造方法，這種方法安全,、機械堅固,、高效。"

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

△3D打印的碳電極層特寫,，圖片來自加州理工學院

編譯自：3dprintingindustry