锂电池还不够小不够强,3D打印技术是电池设计的未来吗?

2019-12-26 13:44:15

 

 

锂离子电池技术是改变冠亚21世纪生活方式的技术之一。这些能量的储存使移动电话、电动汽车、笔记本电脑、医疗保健设备、机器人和远程操作的传感器等成为可能。所以当他们的开发人员被授予诺贝尔化学奖也许并不奇怪。

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但是材料科学家迫切需要更好的电池用于物联网、下一代个人设备等等。更好的电池也将在存储可再生能源中发挥主要作用,这些能源来自风能和太阳等可再生但不稳定的能源。

电池性能是许多不同因素的结果,其中能量密度至关重要。保持电荷而不会泄漏的能力也很重要。然后就是充电性-不仅一次,而且成千上万次-当然还有安全性是必不可少的。

电化学人员只非常清楚这种平衡行为有多精细。因此,电池制造商对尝试新方法持谨慎态度,以免性能下降。因此,增强电池通常是渐进的而且幅度很小。冠亚需要从哪里获得重大改进呢?

今天,冠亚得到了各种各样的答案:爱尔兰科克大学的Vladimir Egorov和一些同事说,未来的电池将通过3D打印制成。这些人调查了各种新的电池打印技术,并认为这将使新一代更小,更强大的设备成为可能。

首先介绍一些背景。3D打印是各种技术的总称,这些技术允许通过逐层添加材料来构建三维对象。它可以成为进行测试的原型设计的一种方法,更不用说奇特的食品,替换的身体部位甚至整个建筑物。并行使用许多印刷机可以批量生产汽车和飞机零件以及鞋子等物品。并且,当有新设计可用时,可以快速打印,而无需重新配置工厂空间。

材料科学家也已经开始尝试使用聚合物墨水和银聚合物作为迹线来印刷电子电路的方法,因此不再需要焊接。这样,电路板可以或多或少地呈现任何形状,甚至可以构成设备结构的一部分。

然而,明显的限制是需要结合常规电池,其具有特定的尺寸和形状。

打印3D电池的能力将改变这一点。“如果出于美观以及舒适性或功能性的原因,如果可以印刷它们以无缝地集成到产品设计中,则在产品设计阶段就不必容纳体积更大且固定尺寸的标准电池,” Egorov and co。说。

说起来容易做起来难。电池中使用的电活性材料具有固有的反应性,并且阳极和阴极等结构在物理上很复杂。它们通常必须像晶体一样被订购,有时必须像分子海绵一样是多孔的。始终必须对它们进行化学性质良好的表征。

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通过固体或液体的挤出或液体的聚合,创建适合3D打印的这些材料的版本是具有挑战性的。一旦印刷,这些材料必须保持其电气互连,严格控制组件之间发生的任何化学反应,并确保电池可以在多个循环中进行充电和放电。

最重要的是,电池必须安全。所有电池都必须通过严格的安全标准,才能在家庭,车辆,飞机等中使用。泄漏的电池会造成昂贵的损坏。但是最严重的危险是火灾。可能必须更改测试标准,以允许不断变化的新设计。

即使所有这些挑战都可以克服,但另一个问题迫在眉睫。3D电池的功能是否会超过现有设计?

Egorov and co全面概述了电池行业在打印未来的电源组时所面临的材料,方法和挑战。但是审阅者错过了未来电池设计的重要元素,因为3D打印可能会发挥重要作用。

电池行业面临的最大也是最重要的挑战之一是使其产品可回收。当今的电池经过特殊设计,因此不容易拆开,因此几乎不可能再利用其中包含的宝贵材料。

对于在从化石燃料到可再生能源的社会过渡中必须发挥核心作用的技术而言,这并不理想。

因此,迫切需要进行更改。当前的想法是,必须从一开始就设计电池时要考虑回收问题,而这将需要电池设计者的全新思维。3D打印所具有的灵活性有可能启动并加速这一急需的革命。

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