3D打印高導(dǎo)電固體聚合物電解質(zhì),，為儲能材料設(shè)計提供新選項

2022年9月19日，南極熊獲悉,，新南威爾士大學(xué)悉尼分校的一個團隊已經(jīng)開發(fā)出一種新的3D打印方法,，可以將強大的高導(dǎo)電固體聚合物電解質(zhì)打印成定制的形狀，以用于能源儲存,。

△研究人員用一臺標準的3D打印機制作了一幅由固體聚合物電解質(zhì)制成的復(fù)雜的澳大利亞地圖,，然后將其作為儲能裝置進行了測試。照片來自Nathaniel Corrigan博士

這項研究由Cyrille Boyer教授帶領(lǐng)的化學(xué)工程學(xué)院的研究團隊完成,，包括Nathaniel Corrigan博士和Kenny Lee,，他們表示這種材料的3D打印過程在未來的醫(yī)療設(shè)備中可能特別有用，因為小型的,、設(shè)計復(fù)雜的能量存儲提供了許多好處,。

固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的一個關(guān)鍵組成部分，盡管傳統(tǒng)上它們由于離子導(dǎo)電率低或機械性能差而導(dǎo)致性能不佳,。然而,，在Kenny Lee等人發(fā)表于《先進材料》的一篇題為“3D PrintingNanostructured Solid Polymer Electrolytes with High Modulus and Conductivity”論文中報告說,，他們3D打印出的固體聚合物電解質(zhì)（SPE）具有高導(dǎo)電性，以及很高的強度,。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202204816

這意味著固態(tài)電解質(zhì)有可能被用作設(shè)備的實際結(jié)構(gòu),，創(chuàng)造出一系列可以想象的設(shè)計機會，特別是對于未來的醫(yī)療產(chǎn)品,。

Kenny Lee說："以前沒有人3D打印過固體聚合物電解質(zhì),。傳統(tǒng)上，它們是用模具制造的,，但這些傳統(tǒng)工藝不具備提供控制材料強度或成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力,。對于現(xiàn)有的固態(tài)電解質(zhì)，當你增加材料的機械強度時,，你會犧牲很多的導(dǎo)電性,。如果你想要更高的導(dǎo)電性,，材料的堅固性就會大打折扣,。我們所實現(xiàn)的是兩者的同時結(jié)合，它可以被3D打印成復(fù)雜的幾何形狀,。這種聚合物電解質(zhì)有可能成為一種承重的儲能材料,。由于它的強度，它可以被用作小型電子產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu),，或在航空應(yīng)用中,，或在小型個人醫(yī)療設(shè)備中，因為我們的3D打印過程可以非常復(fù)雜和精確,。我們可以用我們正在使用的那種系統(tǒng)創(chuàng)建真正的微小結(jié)構(gòu),。因此，它在納米技術(shù)和任何你需要在微觀層面上設(shè)計能量存儲的地方都有奇妙的應(yīng)用,。"

△使用 SPE(50,30) 樹脂3D打印的立方螺旋晶格復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)

增加循環(huán)穩(wěn)定性

盡管新南威爾士大學(xué)團隊開發(fā)的固體聚合物電解質(zhì)被認為是一種高性能的材料,，但研究人員說，它可以使用廉價和市面上的3D打印機制造,，而不是復(fù)雜的工程設(shè)備,。

論文中描述的SPE由嵌入剛性交聯(lián)聚合物基體中的納米級離子傳導(dǎo)通道組成。它是通過一個被稱為聚合誘導(dǎo)微相分離（PIMS）的過程產(chǎn)生的,。

△photo-RAFT PIMS 流程概述,。

為了展示該材料的多功能性，研究人員3D打印了一幅復(fù)雜的澳大利亞地圖,，然后將其作為儲能裝置進行了測試,。

△在功能性超級電容器中展示 3D 打印功能和直接應(yīng)用。

Corrigan博士說："這種SPE在儲能設(shè)備中的其他好處之一是它增加了循環(huán)穩(wěn)定性--也就是在其容量減少到一定程度之前的充電和放電循環(huán)次數(shù),。在我們的論文中,，我們表明這種材料非常穩(wěn)定,，有能力在數(shù)千個循環(huán)中進行充電和放電。在3000次循環(huán)之后,，大約只有10%的下降,。"

△新南威爾士大學(xué)的研究人員Nathaniel Corrigan博士在實驗室里使用3D打印機工作。照片來自Corrigan博士

研究人員還表示,，與其他傳統(tǒng)的制造形式相比,，3D打印也減少了浪費，并降低了成本,，因為同一臺機器可以用來生產(chǎn)各種不同形狀的材料,。在未來，產(chǎn)品設(shè)計師可以利用他們的SPE來創(chuàng)造具有更高的能量儲存密度的物品,。

提起這項研究工作,，Boyer教授總結(jié)說："想象一下，這種儲能材料不僅能夠制成耳塞,，同時也充當了電池,。存儲密度將提高很多，因此電力將持續(xù)更長時間,。我們真的希望能夠在商業(yè)化方面取得進展,，因為我們已經(jīng)創(chuàng)造了一些真正令人難以置信的材料和工藝。"