Alle Festkörperbatterien als neue Art der Batterietechnologie haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit und Forschung erhalten. Im Vergleich zu herkömmlichen Flüssigkeits-Batterien haben alle Festkörper-Batterien eine höhere Energiedichte, schnellere Lade- und Entladegeschwindigkeiten und eine bessere Sicherheitsleistung.
Allerdings stehen alle Festkörperbatterien vor einigen schwierigen Problemen in ihrer Entwicklung, unter denen die Lösung der Schnittstellenprobleme entscheidend wird, einschließlich der Grenzflächenreaktion und Grenzflächenstabilität zwischen dem festen Elektrolyten und den Elektrodenmaterialien. Darüber hinaus müssen die Herstellungskosten und die Lebensdauer aller Festkörperbatterien weiter optimiert und verbessert werden.
Die Anwendung der 3D Drucktechnologie im Bereich der Batterien
Als neue Fertigungstechnologie kann der 3D-Druck die Form und Struktur von Mikro bis Makro präzise steuern, ohne sich auf eine Vorlage zu verlassen, wodurch die Energiedichte und Leistungsdichte von Batterien verbessert wird. Mit der rasanten Entwicklung der 3D Drucktechnologie versuchen immer mehr Forscher, die 3D Drucktechnologie zur Vorbereitung aller Festkörperbatterien zu nutzen, was mehr Möglichkeiten für die Massenproduktion von Festkörperbatterien bietet.
Übersicht über 3D gedruckte Batteriematerialien und -Prozesse
Es hat erhebliche Vorteile in den folgenden Aspekten: (1) die komplexe Struktur für die Herstellung erforderlich; (2) genaue Kontrolle der Elektrodenform und -Dicke; (3) Drucken von Festkörper-Elektrolyt-Struktur mit hoher Stabilität und sicheren Betrieb; (4) kostengünstig, umweltfreundlich und einfach zu bedienen; (5) Eliminieren Sie die Montage und Verpackung von Geräten durch direkte Integration von Batterien und anderen elektronischen Produkten.
3D Drucktechnologie
Derzeit werden 3D Drucktechnologien für Festkörperbatterien eingesetzt, die hauptsächlich Bindemittel (oder Gülle) Spritzgießen, Pulverlasersintertechnologie SLS und Photophärten von SLAs \ DLP umfassen.
Klebstoff (oder Gülle) Spritzguss
Der Klebstoff kann selektiv über eine Düse auf die Oberfläche des Elektrodenpulvers auf dem Stromkollektor aufgesprüht werden, dann kann das Pulvermaterial zu einer festen Schicht, Schicht für Schicht-Bindung, verbunden und schließlich zu einer 3D-Elektrode geformt werden. Durch zwei- oder dreimal hin- und hergehen kann eine dünne Schicht Elektrode gebunden werden, und die nächste Schicht Pulver kann das gleiche Material oder Elektrolytmaterial sein. Um die Herstellung von trockenen Elektroden oder allen Festkörperbatterien zu erreichen, kann jede Form von Elektroden oder Batterien durch kontinuierliches Verbinden jeder Ebene Schicht für Schicht hergestellt werden.
Pulverlaser-Sintertechnologie SLS
Der Druckprozess von SLS wird durch die Bestrahlung von gesinterten Pulvermaterialien mit einem Hochleistungs-Laserstrahl erreicht. Der Bereich, in dem der Laser bestrahlt wird, schmilzt schnell und verklebt sich in Form, während das nicht bestrahlte Pulver noch recycelt werden kann. Auf einer solchen Druckplattform können mehrere Elektrodenplatten hergestellt werden.
Diese Methode, zusammen mit der Binder (oder Gülle) Spritzformtechnik, wird erwartet, dass die Herstellung von trockenen Elektroden zu erreichen.
UV-HÄRTUNG SLA/DLP
Das Prinzip ist, den Polymerelektrolyt oder den organisch-anorganischen Mischelektrolyt von Festkörperbatterien mit ultraviolettem Licht oder einer Lichtoberfläche zu bestrahlen, wodurch sie Schicht für Schicht erstarren und sich in Form überlagern. Aufgrund der unvollständigen Entwicklung von Materialien ist es jedoch notwendig, einige nicht funktionale Photopolymerisationsmaterialien hinzuzufügen, was die Batterieleistung reduziert, so dass der Anwendungsbereich begrenzt ist.
3D Drucken von Solid-State-Batterien
3D der Druck ist eine vielversprechende Technologie für den Einsatz von Festkörperbatterien. Aufgrund der Fähigkeit dieser Technologie, verschiedene Arten von Druckmaterialien zu verwenden, können Forscher die dreidimensionale Struktur von Elektroden, Elektrolyten, Separatoren und Stapeln in Batterien verändern.
Positive Elektrodenkonstruktion
Die Verwendung der 3D Drucktechnologie kann positive Elektrodenmaterialien für Lithium-Batterien entwerfen, kontrollierbare Umwandlung von zweidimensionalen Elektroden zu dreidimensionalen Elektroden erreichen, die Aktivität der Elektrodenoberfläche verbessern, den Ionentransport verkürzen und eine positive Elektrodenvorbereitung mit hoher Last erreichen. Darüber hinaus kann die Regelbarkeit der Dicke des positiven Elektrodenmaterials eine einstellbare Qualität des aktiven Materials erreichen und damit letztlich das Ziel einer hohen Energiedichte und einer hohen Leistungsdichte von Lithium-Batterien erreichen.
3D Drucken von positiven und negativen Elektroden für die Batterie
Strukturierte negative Elektrode
Bei der Anwendung von Lithium-Batterie negativen Elektroden, Konstruktion strukturierte Lithium-Metall negativen Elektroden durch 3D Druck kann die spezifische Oberfläche der Elektrode zu erhöhen, gleichmäßig verteilen das gesamte elektrische Feld in der porösen Elektrode, erreichen das Ziel der Verringerung der effektiven Stromdichte, gleichmäßige Abscheidung, Und unterdrückt die Volumenerweiterung der Elektrode, wodurch die Zyklensicherheit und die Zyklensicherheit der Batterie verbessert werden. Darüber hinaus kann die 3D Drucktechnologie verwendet werden, um kontrollierbare Druckmaterialmorphologie und Vorlagendesign zu erreichen. Elektrochemische Abscheide- oder Schmelzverfahren können das Abscheide-/Auflöseverhalten von metallischem Lithium effektiv kontrollieren, das Lithiumdendrit-Wachstum unterdrücken und das Ziel einer langen Lebensdauer von Lithium-Metall-Batterien erreichen, um das Problem von Kurzschlüssen der Batterie zu lösen.
Membran/Fester Elektrolyt-Aufbau
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der 3D Drucktechnologie kann auch der Elektrolyt von Batterien direkt bedruckt werden, wodurch Herstellungsprozesse, Zeit und Kosten reduziert werden. Aufgrund von Einschränkungen der Luftstabilität sind Sulfid- und Halogen-Elektrolyte jedoch möglicherweise nicht für den Druck geeignet. Polymer- und Oxidelektrolyte sind daher eine Art Festkörperelektrolyt, der das Potenzial für 3D-Druck in allen Festkörperbatterien hat.
3D Druckmembranen können rationales Design der Membranstruktur und gleichmäßigen Ionenfluss erreichen, wodurch die Bildung von Lithiumdendriten reduziert wird. Um eine hohe Ionenleitfähigkeit in Festkörper-Lithium-Batterien zu erreichen, ist es in der Regel notwendig, feste Elektrolyte in das aktive Material der positiven Elektrode zu integrieren. Diese solide-solide Schnittstelle muss nahtlos sein und über ausreichende Flexibilität verfügen, um die geometrischen Veränderungen zu erfüllen, die durch den Lade- und Entladevorgang verursacht werden. 3D-Druck kann die Schnittstellenstruktur fein optimieren, um die strengen Anforderungen an die solide Schnittstelle in Solid-State-Lithium-Metall-Batterien zu erfüllen.
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