3D打印具有3D微晶格结构的小型锂离子电池，提高容量和充放电率

可控孔隙率的微晶格结构

在微观尺度上，如果它们的电极具有孔隙和通道，则锂离子电池容量可以大大提高。交叉几何形状虽然确实允许锂在充电和放电期间有效地通过电池传输，但并不是最佳的。

卡内基梅隆大学机械工程副教授Rahul Panat和卡内基梅隆大学的研究人员与密苏里科学技术大学合作，开发了一种革命性的新方法，即3D打印电池电极，可创建具有可控孔隙率的3D微晶格结构。研究人员在发表在增材制造杂志上的一篇论文中展示了这种微晶格结构的3D打印，极大地提高了锂离子电池的容量和充放电率。

“对于锂离子电池，具有多孔结构的电极可以带来更高的充电容量。”Panat说，“这是因为这种结构允许锂穿透电极体积，从而导致非常高的电极利用率，提高储能容量。在普通电池中，总电极体积的30-50%未被利用。我们的方法克服了这个问题，通过使用3D打印，我们创建了一个微晶格电极架构，可以在整个电极上有效地传输锂，这也提高了电池的充电速率。”

Panat的论文中介绍的增材制造方法代表了打印3D电池架构复杂几何形状的重大进步，以及几何优化电化学储能3D配置的重要一步。研究人员估计，该技术将在大约2 - 3年内准备好转化为工业应用。

用作锂离子电池的电极的微晶格结构(Ag)显示出以几种方式改善电池性能，例如与固体块(Ag)电极相比，具体容量增加四倍并且表面容量增加两倍。此外，电极在40个电化学循环后保留其复杂的3D晶格结构，证明了它们的机械强度。因此，电池可以具有相同重量的高容量，或者相同的容量，大大减轻了重量 —— 这是运输应用的重要属性。

卡内基梅隆大学的研究人员开发了自己的3D打印方法，以创建多孔微晶格架构，同时利用Aerosol Jet 3D打印系统的现有功能。气溶胶喷射系统还允许研究人员在微观层面上打印平面传感器和其他电子设备，该设备于今年早些时候部署在卡内基梅隆大学工程学院。

到目前为止，3D打印电池的工作仅限于以挤压为基础的打印，其中材料线从喷嘴挤出，形成连续的结构。使用这种方法可以实现交叉结构。通过在Panat实验室开发的方法，研究人员能够通过将各个液滴逐个快速地组装成三维结构来对电池电极进行3D打印。所得到的结构具有使用典型挤压方法不可能制造的复杂几何形状。

“因为这些液滴彼此分离，我们可以创造出这些新的复杂几何形状。”Panat说，“如果这是一种单一的材料流，就像在挤压印刷的情况下，我们就无法制造它们。这是一个新的东西。我不相信直到现在才有人使用3D打印创造这些复杂的结构。“

这种革命性的方法对于消费电子、医疗设备行业以及航空航天应用非常重要。该研究将与需要小型化电池的生物医学电子设备很好地集成。非生物电子微器件也将从这项工作中受益。由于使用这种方法打印的电池重量轻、容量大，电子设备、小型无人机和航空航天应用本身也可以使用这种技术。

电池制造的颠覆趋势

目前我们使用的电池主要有三大不足之处：充电时间往往以小时计；充电和放电的次数是有限的，因此寿命相对比较短；不环保，回收时需要特殊的、昂贵的处理过程。

根据3D科学谷的市场观察，3D打印用于电池的制造可以划分为两大派系，第一大派系如正文说提到的通过创建复杂的几何形状提升锂电池的容量和充放电效率。第二大派系是通过3D打印诸如石墨烯等其他材料来寻找一种替代锂电池的方法。

2016年，澳大利亚斯威本大学（Swinburne University）的研究人员通过3D打印石墨烯薄片，发明了一种全新而且应用广泛的能源存储技术（从技术上讲，是一种超级电容器），可容纳更大的电荷能量，并且在一秒钟内完成充电。

而根据3D科学谷的市场观察，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）于2015年4月就取得石墨烯材料应用的突破，实验室的科研人员以石墨烯气凝胶做为3D打印的材料，并按照设计好的架构进行3D打印。打印出的石墨稀微格具有优异的导电性和表面积，可以作为存储能量的新载体，并可用于传感器、纳米电子学、催化、分离等应用。

这种石墨烯材料的3D打印电池由于充电和放电不会降低电池的质量，所以这些电池理论上可以反复充电使用持续一辈子。考虑到不用频繁抛弃充电电池对环境带来的威胁，这一优点使得3D打印新型超级电池的商业空间更具想象力。

更加集成的制造推动产品改头换面

关于卡内基梅隆大学所使用的Optomec的气溶胶喷射3D打印技术（Aerosol Jet）， 这种技术不会改变承印物和油墨的物理性能和化学性能。Optomec的5轴3D打印设备工作原理是将打印材料雾化成一个密集的气溶胶液滴。这种液滴混合惰性气体，通过打印头挤出固化。该设备可打印10微米-1毫米宽的材料，打印材料包括导电油墨、粘合剂、聚合物、电介质、胶粘剂等，从而制造表面不平坦的电子内件和印刷线路板。该技术可以打印更小的、更高性能的移动电子设备。

随着3D打印技术包括FDM熔融挤出技术、SLS选择性激光烧结技术、SLA光固化技术、以及多喷头3D打印技术等技术在电池和电子结构件方面的应用深化，根据3D科学谷的市场研究与预测，生活中的很多电子产品有一天将会发生改头换面的变化：手机屏幕也将可折叠，通过3D打印柔性材料以及更强大的电子元件，将手机电池、天线、电子元器件作为一个整体制造出来；而像助听器这类的电子产品或许可以通过3D打印电池、电子元器件以及助听器外壳一次性完成。

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