La fabricación aditiva, también conocida como impresión 3-D, se puede utilizar para fabricar electrodos porosos para baterías de iones de litio, pero debido a la naturaleza del proceso de fabricación, el diseño de estos electrodos impresos en 3D se limita a soloalgunas arquitecturas posibles. Hasta ahora, la geometría interna que producía los mejores electrodos porosos a través de la fabricación aditiva era lo que se conoce como una geometría interdigitada: puntas de metal entrelazadas como los dedos de dos manos juntas, con el litio moviéndose entre los dos lados.
La capacidad de la batería de iones de litio puede mejorarse enormemente si, en la microescala, sus electrodos tienen poros y canales. Una geometría interdigitada, aunque permite que el litio se transporte a través de la batería de manera eficiente durante la carga y descarga, no es óptima.
Rahul Panat, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad Carnegie Mellon, y un equipo de investigadores de Carnegie Mellon en colaboración con la Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri han desarrollado un nuevo método revolucionario de electrodos de batería de impresión 3D que crea un 3-D estructura de microredes con porosidad controlada.3-D imprimiendo esta estructura de microredes, los investigadores muestran en un artículo publicado en la revista Fabricación aditiva mejora enormemente la capacidad y las tasas de carga y descarga para las baterías de iones de litio.
"En el caso de las baterías de iones de litio, los electrodos con arquitecturas porosas pueden conducir a capacidades de carga más altas", dice Panat. "Esto se debe a que tales arquitecturas permiten que el litio penetre a través del volumen del electrodo, lo que lleva a una utilización muy alta del electrodo,y, por lo tanto, una mayor capacidad de almacenamiento de energía. En las baterías normales, el 30-50% del volumen total del electrodo no se utiliza. Nuestro método supera este problema mediante el uso de la impresión 3D, donde creamos una arquitectura de electrodos de micro retícula que permite el transporte eficiente de litio a través de todo el electrodo, que también aumenta las tasas de carga de la batería "
El método de fabricación aditiva presentado en el documento de Panat representa un avance importante en la impresión de geometrías complejas para arquitecturas de baterías tridimensionales, así como un paso importante hacia la optimización geométrica de las configuraciones tridimensionales para el almacenamiento de energía electroquímica. Los investigadores estiman que esta tecnologíaprepárese para traducir a aplicaciones industriales en aproximadamente 2-3 años.
Se demostró que la estructura de microredes Ag utilizada como electrodos de las baterías de iones de litio mejora el rendimiento de la batería de varias maneras, como un aumento de cuatro veces en la capacidad específica y un aumento de dos veces en la capacidad de área en comparación con un electrodo de bloque sólido AgAdemás, los electrodos retuvieron sus complejas estructuras de celosía 3D después de cuarenta ciclos electroquímicos que demuestran su robustez mecánica. Por lo tanto, las baterías pueden tener una alta capacidad para el mismo peso o, alternativamente, para la misma capacidad, un peso muy reducido, lo cual es un atributo importantepara aplicaciones de transporte.
Los investigadores de Carnegie Mellon desarrollaron su propio método de impresión en 3D para crear las arquitecturas porosas de microredes al tiempo que aprovechaban las capacidades existentes de un sistema de impresión en 3D Aerosol Jet. El sistema Aerosol Jet también permite a los investigadores imprimir sensores planos y otros dispositivos electrónicosen una microescala, que se implementó en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Carnegie Mellon a principios de este año.
Hasta ahora, los esfuerzos de la batería impresa en 3D se limitaban a la impresión basada en extrusión, donde se extruía un alambre de material desde una boquilla, creando estructuras continuas. Las estructuras interdigitadas eran posibles utilizando este método. Con el método desarrollado en el laboratorio de Panat,los investigadores pueden imprimir en 3D los electrodos de la batería ensamblando rápidamente gotitas individuales una por una en estructuras tridimensionales. Las estructuras resultantes tienen geometrías complejas imposibles de fabricar utilizando métodos de extrusión típicos.
"Debido a que estas gotas están separadas entre sí, podemos crear estas nuevas geometrías complejas", dice Panat. "Si se tratara de una sola corriente de material, como es el caso de la impresión por extrusión, no podríamoshacerlos. Esto es algo nuevo. No creo que hasta ahora nadie haya usado la impresión 3D para crear este tipo de estructuras complejas ".
Este método revolucionario será muy importante para la electrónica de consumo, la industria de dispositivos médicos y las aplicaciones aeroespaciales. Esta investigación se integrará bien con los dispositivos electrónicos biomédicos, donde se requieren baterías miniaturizadas. Los microdispositivos electrónicos no biológicos también se beneficiaránde este trabajo. Y a mayor escala, los dispositivos electrónicos, los pequeños drones y las aplicaciones aeroespaciales pueden usar esta tecnología también, debido al bajo peso y la alta capacidad de las baterías impresas con este método.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería, Universidad Carnegie Mellon . Original escrito por Emily Durham. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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