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法國︰采用石墨的FDM 3D打印可提供更好的電池

2020-01-18 9:48:27 點擊︰

    在最近發表的“ 通過熔融沉積建模對LiFePO 4 /石墨電池進行3D打印 ”中,法國研究人員探索了改進的制造電池的方法。由于其多功能性,研究人員選擇FDM 3D打印,並配有石墨/ PLA燈絲。能源和可持續性已成為當今世界廣泛討論的話題和關注點,並且隨著3D打印技術通過各種不同的軟件,硬件和材料持續發展,在儲能和節能等領域的創新也在不斷發展,這包括形狀的定制,包括︰
  • 電極
  • 分離器
  • 固體高分子電解質
  • 集電器
       如今,電池和電子產品可以直接集成到3D打印產品中,這是“在減小體積和重量的同時最大化能量存儲的需求”的直接結果。以前的研究人員已經使用商用石墨烯基聚乳酸絲作為材料,成功地進行了3D打印設備; 但是,材料的負載始終很低,足以顯著影響電化學性能。文獻報道了為FDM工藝準備的燈絲特性摘要。氦比重瓶材料密度用于重量-體積轉換。
對于這項研究,研究人員已經意識到,添加增塑劑可以克服材料的局限性︰
      “的確,我們報道了一種高負載的3D可打印石墨/ PLA燈絲,該燈絲被專門設計用作鋰離子電池的負極並用于傳統的FDM 3D打印機。燈絲內的活性物質含量(石墨)應盡可能高地增加(整個復合材料中石墨的含量為49.2 wt%,因此相當于每cm 3 773 mg活性物質),以改善電化學性能,同時保留足夠的機械強度特別是由于添加了聚乙二醇二甲醚,平均Mn?500起到了增塑劑的作用。”研究人員說。
“因此,通過FDM獲得的負極圓盤具有前所未有的可逆容量︰在18.6的電流密度下 ,活性物質為200 mAh g -1( 總復合材料為99 mAh g -1或至154.6 mAh cm -3) 6次循環後的mA g -1(C / 20)和電流密度為37.3 mA g -1  (C  時為140 mAh g -1的活性材料( 總復合材料為69 mAh g -1或108.2 mAh cm -3)/ 10)。”
        研究人員進一步開展了工作,但他們圍繞優化LFP-PLA和PLA-SiO 2復合材料3D打印絲進行了研究,他們探索了炭黑作為正極導電添加劑和陶瓷添加劑的應用。分隔器。借助3D打印提供的靈活性,可以創建更復雜的幾何形狀,並更好地優化材料,並且更容易組裝,因為可以一次創建所有零件。
研究人員說︰“意識到3D打印機標稱分辨率帶來的局限性,這項工作在這里用作概念證明。” 
(a)配制過程︰(1)將所有組分混合到溶劑中後,通過刮刀刮涂法將淤漿鋪展在玻璃載體上,最後得到薄膜;(2)將復合膜均質片引入擠出機中。獲得並卷繞了典型的直徑為1.75 mm的3D打印絲。(3)將細絲引入到商用FDM 3D打印機中;DSC曲線︰(b)具有不同量的導電添加劑(CSP)的純PLA,PLA / LFP wt%40/60和PLA / LFP / PEGDME500;(c)比較10%CSP樣品的膠片,長絲和3D打印的光盤。
      使用增塑劑聚(乙二醇)二甲醚平均Mn?500(PEGDME500),在80°C'左右有一個小的放熱結晶峰(Tc)。溫差是恆定的,並且據研究人員稱,增塑的PLA / LFP薄膜的Tm低于未增塑劑的Tm,從142°C降至約132°C。為了鼓勵電導率,研究團隊創建了具有不同CSP範圍的樣品。當該含量增加時,吸熱峰不變。但是,放熱結晶峰(Tc)並非如此,該峰已更改為較低的溫度,對于20%CSP樣品,達到74°C。科學家指出,這種行為可能歸因于PLA基質中的CSP。
     “這項研究通過合並電池和3D打印技術,解決了許多電化學(厚度,電子和離子電導率,電解質吸收)和3D打印參數(填充密度,填充圖案,周長,過度擠出和欠擠出,回縮),研究人員總結說︰“這為性能更好的3D打印鋰離子電池開闢了道路。”
      “最後,由于這項工作在這里用作概念驗證,因此作者深知,目前,電極和隔板圖案是2D的,因此可以使用非3D打印技術來實現。但是,未來的工作將集中在復雜的3D電池架構上,這需要對系統進行重大調整並進行徹底的設計優化。即將進行的研究也可能致力于機械地改善FDM 3D打印機的分辨率,並通過使用多噴嘴配置簡化一次打印一次完整電池的乏味步驟。”
       研究人員一直在尋找更好的3D打印電池方法,從定制定制的燈絲到3D冷凍打印,可穿戴設備的創新等等。 
(a)含有CSP作為導電添加劑的樣品的電導率的阿倫尼烏斯圖;(b)膠片和3D打印的10%CSP光盤樣品在不同C速率下的容量保留圖。(c)3D打印的10%CSP光盤樣品的充電/放電容量曲線。注意,對于那些實驗,使用了商用的玻璃縴維隔板。(d)對于含不同SiO2含量的樣品,在1M LiPF6的EC︰DEC 1︰1體積%電解液中1 h和10 h後的電導率。
 
(a)可以使用經典的3D打印切片機軟件獲得的不同隔板填充圖案(填充密度為40%);(b)相同填充圖案的各種填充密度(希爾伯特曲線);浸漬1 h後的完整電池組在4.25 mA.g-1(C / 40)時的容量保持曲線︰(c)使用100%填充密度的隔板和(d)使用70%填充密度的阿基米德和弦模式。在這里,請注意每層的厚度為200 μm。

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