研究人员首次成功地印刷了一种完整的,虽然是实验性的锂离子电池,包括一种固态电解质。虽然以前使用3D打印技术生产电极,但伊利诺伊大学芝加哥工程学院的研究人员使用高温挤压印刷技术印刷了稳定而柔韧的固态电解质。他们在杂志上报告了他们的发现先进材料。

锂离子电池通常用于家用和便携式电子设备以及一些机动车辆中。它们通过锂离子从负电极通过电解质(其可以是液体或固体)在放电期间移动到正电极然后在充电阶段期间返回而起作用。

批量生产这些电池是费力且昂贵的过程。需要将单独制造的电极和电解质放在一起并放置在壳体内。需要受控环境以避免污染,并且需要大量涂层和修改来完成电池。对于传统的生产,电池尺寸不容易改变,也不能修改单个电池以适合特定的设备,因为它需要将用于生产电池的机器重置为新的规格。

由于所有部件一次打印在一起,因此3D打印可以更快速,更便宜地生产和定制电池。在电极经过3D打印的锂离子电池中,以后总是在单独的步骤中添加常规生产的电解质。

在传统的固态电解质生产中,电池外壳需要用在电解质生产中使用的各种涂料和溶剂制备,然后必须在后生产步骤中蒸发掉。如果将电解质直接印刷到成型的3-D印刷电池中,蒸发会导致电解质收缩并从电极上脱离。这可能会导致电池短路。用于确保电解质与外壳和电极良好接触的涂层也极难结合到3D打印电池中。

为了解决这些问题,副教授Reza Shahbazian-Yassar和UIC工程学院机械和工业工程助理教授Yayue Pan以及同事们设计了一款独特的3D高速打印机。与传统的挤压3-D打印相比,它在大约120摄氏度下挤出材料,这是在室温下进行的。它们的固态电解质油墨由含有氧化钛颗粒的聚合物基料组成,使其具有柔韧性和功能性。独特的电解质墨水可以在打印时直接沉积到电池中。

“高温可以防止产后缩减,”UIC工程学院研究生,该研究的第一作者孟成说。“我们的技术大大提高了电解质制备的效率,并将其加入电池中。”

Shahbazian-Yassar的实验性3-D印刷电池具有比使用传统方法制造电解质的电池更高的充电/放电容量和更好的性能。“高温直写和我们的专业油墨是3D打印锂离子电池的概念验证,”Reza说。