加州理工学院：DLP 3D打印技术制造晶格结构锂电池电极

2021年2月10日，南极熊获悉，来自加州理工学院（Caltech）的研究团队开发了一种3D打印锂离子电池电极的新方法。

研究人员利用DLP 3D打印技术，制造出复杂的聚合物结构，然后通过热后处理转化为有用的电极材料。最终的碳和钴氧化锂结构分别被证明可以作为阳极和阴极使用，并称具有优异的电池性能和稳定性。

加州理工学院研究生Kai Narita解释说："已知聚合物的热解会导致碳的形成。我们的方法利用这一现象来制造3D打印碳材料。我们使用一种市售的光刻胶与DLP数字光处理工艺打印来创建3D聚合物结构，然后在1000˚C的温度下热解，将其转化为碳的结构。"

△通过DLP 3D打印的复杂电极几何体，图片来自加州理工学院

锂离子电池的局限性

自50年前发明以来，锂离子电池已成为现代人类生活中不可或缺的一部分，为从消费电子产品到军用卫星等各种产品提供动力。因此，在电化学领域，有大量的研究专门针对提高储能设备的容量，同时使其更小、更便宜、更快充电。

除了可以让我们的手机续航更长之外，更好的电池对气候变化也有重大影响，因为它们可以帮助减少对化石燃料的依赖，而促进可再生能源的使用。遗憾的是，电动汽车以及风能和太阳能电网储能等应用，即使是最前沿的技术，也仍然受到目前能量密度和充电速率的限制。

在传统的平面电极锂离子电池中，能量密度(可存储的能量量)和功率密度(能量释放率)往往是耦合的。例如，增加电极的质量将增加其能量密度，但由于电极厚度的增加，离子和电子被迫在放电前移动更多的距离，从而降低其功率密度。如果将这种关系解耦，储能设备的能量密度和功率密度都可以同时提高。这就是3D打印的作用。

△3D打印碳电极的SEM成像，图片来自加州理工学院

3D打印帮了大忙

虽然近年来3D打印实际上已经开始探索应用，但之前的尝试主要依靠纳米油墨挤出，这并不适合高分辨率的零件。而光聚合则解决了分辨率的问题，但由于它是基于聚合物化学的，所以通常与电极材料不兼容。

利用DLP-热解技术，加州理工学院的团队能够将两者的优点结合起来，用电极材料生产高分辨率的电极。由于这项技术能够打印出厚厚的电极结构与微观和纳米大小的子结构，为高性能电池生产的新方法铺平了道路。

研究的主要作者Julia Greer教授总结道："创建3D打印电极，并对结构设计、尺寸以及材料进行完全控制，使我们更加接近可扩展的、可靠的固态电池制造方法，这种方法安全、机械坚固、高效。"

更多的研究细节可参见《Advanced Energy Materials 》和 《Advanced Materials Technologies》。

△3D打印的碳电极层特写，图片来自加州理工学院

编译自：3dprintingindustry