Stampa 3d di una batteria LiFePO 4 / grafite tramite modellazione a deposizione fusa

Francia: stampa 3D FDM con grafite per batterie migliori

Nella recente pubblicazione ” Stampa tridimensionale di una batteria LiFePO 4 / grafite tramite modellazione a deposizione fusa “, i ricercatori francesi esplorano modi migliori per creare batterie. I ricercatori hanno scelto la stampa 3D FDM per la sua versatilità, accompagnata da un filamento di grafite / PLA.

Energia e sostenibilità sono argomenti ampiamente discussi – e preoccupazioni – oggi in tutto il mondo e poiché la tecnologia della stampa 3D ha continuato a progredire attraverso una vasta gamma di software, hardware e materiali diversi, così come l’innovazione in settori come lo stoccaggio dell’energia e batterie. Ciò include la personalizzazione delle forme, per includere:

elettrodi
separatori
Elettroliti polimerici solidi
Collezionisti attuali
Oggi, le batterie e l’elettronica possono essere integrate direttamente nei prodotti stampati in 3D, come risultato diretto della necessità di “massimizzare lo stoccaggio di energia riducendo volume e peso …” Precedenti ricercatori hanno utilizzato filamenti di acido polilattico a base di grafene commerciale come materiale, stampa 3D di successo dispositivi; tuttavia, il caricamento dei materiali era sufficientemente basso da influire sostanzialmente sulle prestazioni elettrochimiche.

Riepilogo delle caratteristiche dei filamenti preparato per il processo FDM riportato in letteratura. Le densità del materiale del picnometro a elio sono state utilizzate per la conversione del peso-volume.

Per questo studio, i ricercatori erano già consapevoli del fatto che i limiti del materiale potevano essere superati con l’aggiunta di un plastificante:

“In effetti, abbiamo riportato un filamento di grafite / PLA stampabile 3D altamente caricato concepito specificamente per essere impiegato come elettrodo negativo in una batteria agli ioni di litio e per alimentare una stampante 3D FDM convenzionale. Il contenuto di materiale attivo (grafite) all’interno del filamento è stato aumentato il più in alto possibile (49,2% in peso di grafite nel composito totale, corrispondenti quindi a 773 mg di materiale attivo per cm 3 ) per migliorare le prestazioni elettrochimiche preservando una resistenza meccanica sufficiente per essere stampato grazie in particolare all’aggiunta di poli (etilenglicole) dimetiletere medio Mn ∼ 500 che funge da plastificante “, hanno affermato i ricercatori.

“Pertanto, è stata raggiunta una capacità reversibile senza precedenti per un disco di elettrodi negativo ottenuto tramite FDM: 200 mAh g −1 di materiale attivo (99 mAh g −1 del composito totale o anche a 154,6 mAh cm −3 ) con una densità di corrente di 18,6 mA g −1 (C / 20) dopo 6 cicli e 140 mAh g −1 di materiale attivo (69 mAh g −1 del composito totale o anche 108,2 mAh cm −3 ) con densità di corrente di 37,3 mA g −1 (C / 10).”

I ricercatori hanno proseguito il loro lavoro, tuttavia, centrando lo studio sull’ottimizzazione dei filamenti di stampa 3D a base composita LFP-PLA e PLA-SiO 2 mentre esploravano l’uso del nerofumo per l’additivo conduttivo per l’elettrodo positivo e gli additivi ceramici nel separatore. Con la flessibilità offerta dalla stampa 3D, è possibile creare geometrie più complesse, insieme a una migliore ottimizzazione dei materiali e un assemblaggio più semplice poiché tutte le parti possono essere create contemporaneamente.

“Ben consapevole delle limitazioni indotte dalla risoluzione nominale della stampante 3D, questo lavoro serve qui come prova del concetto”, hanno affermato i ricercatori.

È stato utilizzato il plastificante, poli (etilenglicole) dimetiletere medio Mn ~ 500 (PEGDME500), con un piccolo picco di cristallizzazione esotermica (Tc) indotto a circa 80 ° C ‘. Le differenze di temperatura erano costanti e, secondo i ricercatori, i film PLA / LFP plastificati presentavano Tm inferiore rispetto a senza plastificante, diminuendo da 142 ° C a circa 132 ° C.

Per incoraggiare la conducibilità, il team di ricerca ha creato campioni con una gamma variabile di CSP. Quando questo contenuto è stato aumentato, i picchi endotermici sono rimasti invariati; tuttavia, questo non è stato il caso del picco di cristallizzazione esotermica (Tc), che è stato modificato a una temperatura inferiore, raggiungendo 74 ° C per il campione CSP del 20%. Gli scienziati hanno affermato che tale comportamento potrebbe essere attribuito al CSP nella matrice PLA.

I campioni stampati in 3D sono stati fabbricati utilizzando una stampante 3D Prusa MK3 .

“Questo studio, unendo sia la batteria che le tecnologie di stampa 3D, ha affrontato numerosi parametri elettrochimici (spessore, conducibilità elettronica e ionica, assorbimento di elettroliti) e stampa 3D (densità di riempimento, modello di riempimento, perimetri, sopra e sotto-estrusione, retrazione), e apre la strada a una batteria agli ioni di litio stampata in 3D con prestazioni migliori “, hanno concluso i ricercatori.

“Infine, poiché questo lavoro funge da prova del concetto, gli autori sono ben consapevoli che per ora gli elettrodi e i modelli di separatori sono 2D e quindi realizzabili utilizzando tecniche di stampa non 3D. I lavori futuri, tuttavia, verrebbero concentrati su architetture complesse di batterie 3D che richiedono importanti adeguamenti del sistema e un’accurata ottimizzazione del progetto. Le prossime ricerche potrebbero anche essere dedicate a migliorare meccanicamente la risoluzione della stampante 3D FDM e semplificare i noiosi passaggi per stampare la batteria completa in un colpo solo utilizzando una configurazione multi-ugello. “

I ricercatori continuano a cercare modi migliori per stampare batterie 3D, dalla personalizzazione del filamento su misura alla stampa 3D freeze , dall’innovazione per i dispositivi indossabili e altro ancora. Cosa ne pensi di questa notizia? Fateci sapere i vostri pensieri! Partecipa alla discussione su questo e altri argomenti sulla stampa 3D su 3DPrintBoard.com .