美國開發出利用3D打印技術制造微電池

    鋰電世界  近日，美國一項研究利用3D打印微電池技術成功制成只有沙粒大小的3D微電池，而電化性能可媲美商用蓄電池。這樣打印出的電極既保證了儲能材料的數量，又讓正極和負極之間的距離足夠短，因此封裝制成的3D微電池具有快速充放電能力，其面積能量密度和功率密度在目前3D微電池領域居于前列。而墨水為LFP和LTO。這種電池將來有望用于為微米乃至納米器件提供能量。
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　據研究第一作者、美國伊利諾伊大學厄巴納－尚佩恩分校在讀博士生Ke Sun（孫苛）介紹，大約10年前美國科學家提出3D微電池的概念，過去的制備方法都基于較為成熟的微電子技術以及新興微加工技術，不僅成本較高，而且迄今沒有獲得理想的成果；他們則轉而采用方興未艾的3Ｄ打印技術。
 
　3D打印是一種快速成型技術，它以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體。
 
　孫苛說，這項研究的一大難點在于制造用于打印的材料，即“墨水”。3D打印機的直徑只有30微米，和一根頭發絲的直徑差不多，這要求“墨水”具有特殊的流變學性質。一個形象的比喻就是要求“墨水”像牙膏一樣能在擠壓中流動，從而從針管中流出，并能在空氣中迅速穩定凝固成型。
 
　“墨水”的主要成分必須是可作為電極使用的活性材料。為了打印微電極，他們開發并測試了幾種特殊的“墨水”，能像電化材料那樣，形成工作陽極和陰極，而且能像牙膏一樣擠出，打印完成后硬化成像薄膜一樣的薄層。他們用一種金屬鋰氧化物納米粒子制造了陽極墨水，用另一種材料制造了陰極墨水，形成一種微小的、陽極和陰極緊密交錯的多層堆疊結構，每層厚度比發絲還細。之后，把這些電極裝在微小容器中，充入電解液就完成了。
 
　經過多次嘗試，研究人員最終通過膠體化學方法成功將磷酸鐵鋰和鈦酸鋰兩種材料分別做成“墨水”，用作電池的正極和負極。然后，他們利用3D打印技術打印出梳子狀的正極和負極并將它們交錯排列成一層，再層層堆積獲得寬度只有40微米、而高度是寬度11倍的電極。研究人員還對微電池存儲和釋放的電量、充電時間進行了檢測。“在充放電率、循環壽命和電流強度方面，它們的電化性能可以和商用蓄電池媲美。我們只是把它縮小到了更小級別。