L’aumento dei carichi di massa degli elettrodi della batteria migliora in modo critico la densità di energia di una batteria complessiva eliminando gran parte dei componenti inattivi, compattando le dimensioni della batteria e abbassando i costi degli ingredienti. Un microreticolo di carbonio duro, progettato digitalmente e fabbricato mediante stampa 3D stereolitografia e pirolisi, offre un enorme potenziale per elettrodi ad alto carico di massa. In questo lavoro vengono dimostrate batterie agli ioni di sodio che utilizzano microreticoli di carbonio duro prodotti da una stampante 3D economica. Vengono creati microreticoli di carbonio periodici controllati con un migliore trasporto di ioni attraverso i microcanali. I microreticoli di carbonio con una larghezza del fascio di 32,8 µm raggiungono una capacità areale record di 21,3 mAh cm −2 con un carico di 98 mg cm −2senza degradare le prestazioni, che è molto superiore agli elettrodi monolitici convenzionali (≈5,2 mAh cm −2 a 92 mg cm −2 ). Inoltre, gli elementi di microreticoli di carbonio puro privi di leganti consentono il tracciamento dei cambiamenti strutturali nel carbonio duro che supportano l’intercalazione ipotizzata di ioni nelle regioni dell’altopiano mediante misurazioni di diffrazione temporale dei raggi X ex situ. Questi risultati faranno avanzare lo sviluppo di anodi ad alte prestazioni ea basso costo per batterie agli ioni di sodio e aiuteranno a comprendere i meccanismi delle intercalazioni ioniche nel carbonio duro, espandendo le utilità delle architetture di carbonio stampate in 3D sia nelle applicazioni che negli studi fondamentali .
Gli elettrodi stampati in 3D potrebbero rendere le batterie al litio più economiche
Ora che la produzione additiva (AM) viene applicata a un numero crescente di applicazioni energetiche, la tecnologia ha davvero iniziato a dimostrare il potenziale per rivoluzionare l’efficienza della generazione di energia. Un’applicazione particolare è nella stampa 3D delle parti della batteria, che potrebbe produrre batterie agli ioni di litio migliori, ma più economiche. L’ultimo sviluppo in questo spazio proviene dai ricercatori della Tohoku University , che hanno stampato in 3D elettrodi di microreticolo di carbonio che ottengono proprio questo.
Elettrodi potenti per stampa 3D
Nel suo studio, “A 3D-Printed, Freestanding Carbon Lattice for Sodium Ion Batteries” , pubblicato sulla rivista Small , il team di Tohoku ha cercato di aumentare i materiali attivi caricati in una cella della batteria, riducendo i materiali inattivi che legano più celle insieme. Il problema che hanno riscontrato, tuttavia, è stato che ciò avrebbe richiesto la realizzazione di elettrodi più spessi, limitando così il movimento degli ioni e, quindi, la carica elettrica della batteria. Per superare questo problema, i ricercatori, tra gli altri, composti dallo scienziato dei materiali della Tohoku University Akira Kudo e dal dottorando dell’Università della California di Los Angeles Yuto Katsuyama, hanno sviluppato elettrodi a carica negativa (anodi) con micro architetture uniche.
Il team ha utilizzato la stereolitografia (SLA) per stampare in 3D strutture a microreticolo polimerico che sono state poi ridotte tramite pirolisi . Ciò ha prodotto anodi di carbonio duro che potrebbero trasportare rapidamente ioni generatori di energia. Per migliorare le prestazioni degli anodi, la struttura reticolare è stata realizzata con dettagli più fini. Utilizzando stampanti 3D con una risoluzione ancora migliore, Kudo ritiene che sarebbe possibile creare batterie agli ioni di sodio con prestazioni anche maggiori rispetto alle controparti agli ioni di litio.
Espansione degli elettrodi stampati in 3D oltre il laboratorio
Successivamente, Kudo e i suoi colleghi mirano a creare elettrodi (catodici) carichi positivamente e, in definitiva, batterie agli ioni di sodio ad alte prestazioni ed economiche. I vantaggi di tali dispositivi non solo permetterebbero di ridurre i costi e migliorare le capacità dei dispositivi di accumulo di energia, ma fungerebbero anche da alternativa alle batterie agli ioni di litio, i cui materiali costitutivi stanno rapidamente diminuendo in abbondanza come veicoli elettrici e la produzione di elettronica continua a crescere.
