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锂电池还不够小不够好,借助3D打印技术来解决

2020-05-25 15:22 次阅读

(文章来源:中关村在线)

Technology Review(《技术概览》)2019年12月22日刊发文章,谈到了3D打印电池的问题。文中指出3D打印技术将实现产品集成更小、更强大的电池,同时在设计是也将考虑到回收利用。

二十一世纪,锂离子电池是我们生活方式的一项“使能技术”。什么是“使能技术”技术?维基百科的定义:使能技术是指能够对用户的能力或文化产生根本性变化的发明或创新,其最明显的特征是一般会在不同领域快速形成衍生技术。这些能量包使移动电话、电动汽车、笔记本电脑、医疗设备、机器人和遥控传感器等都成为可能。也许并不奇怪,2019年诺贝尔化学奖的获得者正是锂离子电池开发人员。2019年诺贝尔化学奖授予美国固体物理学家约翰·巴尼斯特·古迪纳夫、英国化学家斯坦利·威廷汉和日本化学家吉野彰,以表彰他们发明锂离子电池方面做出的贡献。

材料科学家迫切需要更好的电池,用于物联网、下一代个人设备等。更好的电池也将被要求用于存储太阳能和风能,从而让构建一个零化石燃料使用的社会成为可能。

电池性能的好坏是由许多不同因素决定的,能量密度是至关重要的,保持电荷而不泄漏的能力也很重要,成千上万次的充电能力以及安全性等都会影响电池性能。能将化学能转化为电能的电化学装置非常清楚这种平衡行为是多么微妙。电池制造商在尝试新方法时非常谨慎,以免造成性能下降。还有更好的改善电池的方法吗?现在我们需要的大改进可能来自哪里呢?

爱尔兰科克大学的弗拉基米尔埃戈罗夫(Vladimir Egorov)和他的一些同事得到了一个答案:未来的电池将通过3D打印技术制造,3D打印将使新一代更小、更强大的电池的出现成为可能。

锂电池还不够小不够好,借助3D打印技术来解决

3D打印即快速成型技术的一种,又称增材制造,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印是各种技术的总称,这些技术允许通过逐层添加材质来构建三维对象。它可以成为一种设计测试原型的方法,可以打印异国情调的食物,替换身体部位,甚至整个建筑物。并行使用多台打印机,可以大规模生产汽车、飞机零件和鞋子等物品。

材料科学家也开始尝试用聚合物墨水和银聚合物来打印电子线路的方法,因此不再需要焊接。这样,电路板就可以或多或少地呈现出任何形状,甚至可以构成设备结构的一部分。然而,一个重要的限制是需要应用特定的尺寸和形状的电池。打印3D电池的能力将改变这一点。Egorov和co说:“如果为了美观、舒适或功能性的原因,可以将它们无缝集成到产品设计中,那么在产品设计阶段就不需要容纳体积更大、形状固定的标准电池。”。

然而说起来容易做起来难。电池中使用的电活性材料具有固有的反应性,阳极和阴极等结构在物理上是复杂的。它们通常必须像晶体一样有序,有时像分子海绵一样多孔。它们必须始终具有良好的化学特性。无论是通过固体或液体的挤压,还是通过液体的聚合,创建适合3D打印的这些材料都是一项挑战。一旦打印出来,这些材料必须保持它们之间的电气连接,严格控制组件之间发生的任何化学反应,并确保电池可以在多个周期内充放电。

最重要的是,电池必须是安全的。所有的电池都必须通过严格的安全标准,才能用于家庭、汽车、飞机等。电池泄漏会造成昂贵的损坏。但最严重的风险是火灾。

即使所有这些挑战都能克服,另一个问题也迫在眉睫。3D电池会比现有的设计更有效吗?Egorov和co全面概述了电池行业在打印未来电源组方面所面临的材料、方法和挑战问题。但评论家们忽略了未来电池设计中的一个重要元素,即3D打印可以发挥重要作用。

电池行业面临的最大和最重要的挑战之一是使其产品可回收利用。今天的电池是专门设计的,所以它们不容易被拆开,所以再利用它们所含的有价值的材料几乎是不可能的。所以很需要改变。目前的想法是,电池必须从设计开始就考虑到回收利用,这将需要电池设计师具有一个全新的思维态势。3D打印允许的灵活性有可能启动并加速这一急需的革命。

3D打印技术已经很成熟,成功的应用于多个领域,但一些专家指出,用3D技术用来生产锂离子电池或许不太现实,用来打印一些锂电池模型或许更为合适。3D打印锂电池是否可行,让我们拭目以待!
      (责任编辑:fqj)

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