近日，美国杜克大学与德克萨斯州立大学的研究人员们开发出一种几乎可以3D打印任何形状的锂离子电池的新方法。

 

      背景

 

       锂离子电池，是一种充电电池。它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

 

       电动汽车与大部分的电子设备，例如手机与笔记本电脑，都是由锂离子电池供电的。

 

诺基亚手机的锂离子电池

（图片来源：维基百科）

 

Nissan Leaf 汽车的锂离子电池组

（图片来源：维基百科）

 

笔记本电脑的锂离子电池

       迄今为止，制造商们必须根据市场上可买到的锂离子电池来设计他们的设备。

 

      创新

 

       然而，科技创新改变了这一现状。近日，美国杜克大学与德克萨斯州立大学的研究人员们开发出一种几乎可以3D打印任何形状的锂离子电池的新方法。
 

完全通过3D打印的含有锂离子电池的LED手环

（图片来源：美国化学会）

 

       他们的研究成果发表在美国化学会旗下的国际知名期刊《ACS Applied Energy Materials》上。

 

      技术

 

       目前，市场上大多数的锂离子电池都是圆柱形或立方体形的。因此，当制造商设计产品时，例如设计一个手机，必须为电池预备特定的尺寸与形状，这样会浪费空间并使设计方案受限。

 

       理论上讲，3D打印技术几乎能以任何形状，制造出整个设备，包括电池和电子元件结构。然而，3D打印采用的聚合物，例如聚乳酸 (PLA)，并不是离子导体，这成为了打印电池的主要障碍。 Christopher Reyes 、Benjamin Wiley 及其同事开发出一种工艺，能通过低成本的3D打印机来打印锂离子电池。

 

       研究人员通过加入电解质溶液，提升了聚乳酸的离子导电性。此外，他们分别在负极（Anode）与正极（cathode）掺入了石墨烯和多壁碳纳米管。

（图片来源：参考资料【2】）

（图片来源：参考资料【2】）

（图片来源：参考资料【2】）

 

      价值

 

       为了论证电池的性能，团队3D打印了集成了锂离子电池的LED手环。手环电池能为一盏绿色LED灯供电达60秒。

 

      未来

 

       据研究人员称，第一代的3D打印的电池的容量比商用的电池低两个数量级。这种容量太低，以至于这种3D打印的电池无法实际应用。然而，研究人员称，他们已经有了几个提升容量的想法，例如通过3D打印的面团来取代基于聚乳酸的材料。

 

      关键字

 

       3D打印、电池、手机

 

      参考资料

 

       【1】https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2018/acs-presspac-october-17-2018/3d-printed-lithium-ion-batteries.html

 

       【2】Christopher Reyes, Rita Somogyi, Sibo Niu, Mutya A. Cruz, Feichen Yang, Matthew J. Catenacci, Christopher P. Rhodes, Benjamin J. Wiley. Three-Dimensional Printing of a Complete Lithium Ion Battery with Fused Filament Fabrication. ACS Applied Energy Materials, 2018; DOI: 10.1021/acsaem.8b00885