Un team di ricercatori del California Institute of Technology (Caltech) ha sviluppato un nuovo metodo di stampa 3D di elettrodi per batterie agli ioni di litio.

I RICERCATORI DI CALTECH UTILIZZANO LA STAMPA 3D DLP PER MIGLIORARE LE PRESTAZIONI DELLA BATTERIA AGLI IONI DI LITIO

Utilizzando la tecnologia di stampa 3D DLP, una forma di fotopolimerizzazione in vasca basata sulla luce visibile, i ricercatori sono stati in grado di fabbricare strutture polimeriche complesse prima di convertirle in utili materiali per elettrodi tramite un trattamento termico di post-elaborazione. Le strutture finali di ossido di carbonio e litio-cobalto hanno dimostrato di funzionare rispettivamente come anodi e catodi, con segnalazioni di eccellenti prestazioni e stabilità della batteria.

Kai Narita, uno studente laureato al Caltech, spiega: “È noto che la pirolisi dei polimeri provoca la formazione di carbonio. Il nostro approccio sfrutta questo fenomeno per fabbricare materiali in carbonio 3D. Utilizziamo semplicemente una fotoresina disponibile in commercio con la stampa con processo di luce digitale per creare strutture polimeriche 3D, che poi pirolizziamo a 1000 ° C per convertirle in carbonio. “

Dalla loro invenzione circa cinque decenni fa, le batterie agli ioni di litio sono diventate parte integrante della vita umana moderna, alimentando qualsiasi cosa, dall’elettronica di consumo ai satelliti militari. Come tale, c’è una montagna di ricerca nel campo dell’elettrochimica mirata specificamente a migliorare la capacità dei dispositivi di accumulo di energia, il tutto rendendoli più piccoli, più economici e più veloci.

Oltre a farci stare seduti sui nostri telefoni tutto il giorno, le batterie di qualità superiore hanno anche importanti implicazioni per il cambiamento climatico in quanto possono aiutare a ridurre la dipendenza della società dai combustibili fossili e promuovere invece l’uso di fonti di energia rinnovabile. Sfortunatamente, applicazioni come veicoli elettrici e accumulo di energia su scala di rete per parchi eolici e solari sono ancora limitati dalle densità energetiche e dai tassi di ricarica attualmente disponibili, anche all’avanguardia.

Nelle batterie agli ioni di litio convenzionali con elettrodi planari, le densità di energia (quantità di energia che può essere immagazzinata) e le densità di potenza (velocità di rilascio di energia) sono spesso accoppiate. Ad esempio, l’aumento della massa di un elettrodo aumenterà la sua densità di energia ma ridurrà la sua densità di potenza a causa di un aumento dello spessore dell’elettrodo, per cui gli ioni e gli elettroni sono costretti a percorrere una distanza maggiore prima di scaricarsi. Se questa relazione dovesse essere disaccoppiata, sia l’energia che la densità di potenza dei dispositivi di accumulo di energia potrebbero essere migliorate simultaneamente. È qui che entra in gioco la stampa 3D.

Mentre la stampa 3D è stata effettivamente esplorata per l’applicazione negli ultimi anni, i tentativi precedenti si sono ampiamente basati sull’estrusione di nanoinchiostro, che non si presta a parti ad alta risoluzione. La fotopolimerizzazione in vasca, d’altra parte, risolve il problema della risoluzione ma non è tipicamente compatibile con i materiali degli elettrodi poiché si basa sulla chimica dei polimeri.

Utilizzando la tecnica di pirolisi DLP, il team di Caltech è stato in grado di combinare il meglio di entrambi i mondi e produrre elettrodi ad alta risoluzione con materiali per elettrodi. Grazie all’affinità della tecnologia per le geometrie complesse, sono stati in grado di stampare strutture di elettrodi spesse con sottostrutture di dimensioni micro e nanometriche. Ciò ha effettivamente aumentato il carico di massa degli elettrodi personalizzati, alleviando i problemi di densità di potenza associati a lunghezze di trasporto maggiori, aprendo la strada a un nuovo metodo di produzione di batterie ad alte prestazioni.

La professoressa Julia Greer, autrice principale degli studi, conclude: “La creazione di elettrodi scolpiti in 3D, con il pieno controllo del design architettonico, delle dimensioni e ora dei materiali, ci sta avvicinando ancora di più al raggiungimento del Sacro Graal, ovvero un metodologia di fabbricazione scalabile e affidabile di batterie allo stato solido che sono sicure, meccanicamente robuste ed efficienti “.

Ulteriori dettagli sugli studi possono essere trovati in Advanced Energy Materials e Advanced Materials Technologies .

A settembre, la stampante 3D OEM Photocentric ha annunciato il lancio di una nuova divisione dedicata allo sviluppo di batterie elettriche stampate in 3D ecocompatibili . L’azienda con sede a Peterborough ha dichiarato di essersi impegnata in un “investimento significativo”, che include un intero team di ricerca, nel tentativo di progettare e stampare in 3D dispositivi di archiviazione più efficienti dal punto di vista energetico.

Altrove, nel settore aerospaziale, il Marshall Space Flight Center della NASA ha precedentemente assegnato a KULR Technology Group un accordo tecnologico a duplice uso che potrebbe vedere future missioni spaziali utilizzando pacchi batteria di ricambio stampati in 3D . Nell’ambito della collaborazione, KULR costruirà sistemi di batterie stampate in 3D per applicazioni spaziali con equipaggio e autonome utilizzando le sue tecnologie PPR (Passive Propagation Resistant) e ISC (Internal Short Circuit).

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