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Erste 3-D-gedruckt Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien
Sep 19, 2018

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Zum ersten Mal haben Forscher eine vollständige, wenn auch experimentell, Lithium-Ionen-Akku inklusive einem Festkörper-Elektrolyt erfolgreich gedruckt. Während Elektroden mit 3-D-Druck-Technologie vor hergestellt wurden, haben Forscher an der University of Illinois at Chicago College of Engineering eine stabile, gedruckt und dennoch flexibel, Solid-State-Elektrolyt mit einer erhöhten Temperatur-Extrusion Drucktechnik. Sie Berichten über ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Advanced Materials.

 

Lithium-Ionen-Batterien sind in der Heimat und tragbare Elektronik und in einigen Kraftfahrzeugen gebräuchlich. Sie funktionieren durch die Bewegung der Lithium-Ionen von der negativen Elektrode durch ein Elektrolyt, flüssig oder fest, an der positiven Elektrode während der Entladung und dann während der Ladephase zurück.

 

Massenproduktion dieser Batterien ist ein mühsamer und teurer Prozess. Die Elektroden und Elektrolyt, die separat hergestellt werden, müssen zusammengeführt und in einem Gehäuse platziert werden. Eine kontrollierte Umgebung ist notwendig, um Verunreinigungen zu vermeiden und viele Beschichtungen und Änderungen sind notwendig, um die Batterie zu vervollständigen. Mit konventioneller Produktion Batteriegrößen nicht leicht geändert werden, noch können einzelne Batterien geändert werden, um bestimmte Geräte passen, weil es erfordert, dass die Maschinen zur Herstellung der Batterien auf neue Spezifikationen zurückgesetzt werden.

 

3-d-Druck können für die Herstellung und Anpassung von Batterien sehr viel schneller und billiger weil alle Teile zusammen auf einmal gedruckt werden. In Lithium-Ionen-Batterien, wo die Elektroden 3-D-gedruckt wurden, wurde die konventionell hergestellte Elektrolyt immer danach in einem separaten Schritt hinzugefügt.

 

In der konventionellen Solid-State-Elektrolyt-Produktion müssen Batteriegehäuse darauf vorbereitet sein, mit verschiedenen Beschichtungen und Lösungsmittel zur Herstellung des Elektrolyten, die dann in einem Post-Production-Schritt entfernt verdampft werden muss. Wenn ein Elektrolyt direkt in eine bilden 3-D-gedruckt Batterie gedruckt wird, würde Verdunstung des Elektrolyten zu schrumpfen und ziehen weg von den Elektroden führen. Dadurch kann die Batterie kurz aus. Beschichtungen verwendet, um sicherzustellen, dass das Elektrolyt macht guten Kontakt mit dem Gehäuse und Elektroden sind auch extrem schwierig, in einer 3-D-gedruckt Batterie zu integrieren.

 

Zu umgehen diese Probleme, Reza Shahbazian-Yassar, Associate Professor und Yayue Pan, Assistant Professor für Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen in der UIC College of Engineering, zusammen mit Kolleginnen und Kollegen entwickelt einen einzigartige 3-d Drucker, das funktioniert bei einem erhöhter Temperatur. Es extrudiert Materialien bei etwa 120 Grad Celsius im Vergleich zu herkömmlichen Extrusion 3D-Druck, die bei Raumtemperatur stattfindet. Die Solid-State-Elektrolyt-Tinte setzt sich aus einem Polymer-Basis mit Titan-oxidpartikeln, die es flexibel, als auch funktional sein lassen. Die einzigartigen Elektrolyt-Tinte kann direkt in die Batterie hinterlegt werden, wie es gedruckt wird.

 

"Die hohe Temperatur Postproduktion Schrumpfung verhindert", sagte Meng Cheng, ein Doktorand in der UIC College of Engineering und Hauptautor der Studie. "Unsere Technik verbessert deutlich die Effizienz der Vorbereitung des Elektrolyten und dessen Einbeziehung in die Batterie."

 

Shahbazian-Yassar experimentelle 3-D-gedruckte Batterien hatten höhere Lade-/Entlade-Kapazität und eine bessere Leistung als Batterien wo das Elektrolyt mit traditionellen Methoden hergestellt wurde. "Die erhöhte Temperatur direkt schreiben und unsere speziellen Tinten Proof-of-Concept, dass 3-D-gedruckt Lithium-Ionen-Batterien möglich sind", sagte Reza.