Fabricação aditiva, também conhecido como impressão 3-D, pode ser usado para fabricar eletrodos porosos para baterias de íon-lítio, mas devido à natureza do processo de fabricação, o design desses eletrodos impressos em 3-D é limitado a apenas algumas arquiteturas possíveis. Até agora, a geometria interna que produzia os melhores eletrodos porosos por meio da manufatura aditiva era conhecida como geometria interdigitada - pinos de metal entrelaçados como os dedos de duas mãos entrelaçadas, com o transporte de lítio entre os dois lados.

A capacidade da bateria de íon-lítio pode ser amplamente melhorada se, na microescala, seus eletrodos têm poros e canais. Uma geometria interdigitada, embora permita que o lítio seja transportado pela bateria de forma eficiente durante o carregamento e o descarregamento, não é o ideal.

Rahul Panat, um professor associado de engenharia mecânica na Carnegie Mellon University, e uma equipe de pesquisadores da Carnegie Mellon em colaboração com a Universidade de Ciência e Tecnologia de Missouri desenvolveram um novo método revolucionário de eletrodos de bateria de impressão 3-D que cria uma estrutura de microlátula 3-D com porosidade controlada. Impressão 3-D desta estrutura de microlátula, os pesquisadores mostram em artigo publicado na revista Fabricação Aditiva , melhora imensamente a capacidade e as taxas de carga e descarga das baterias de íon-lítio.

"No caso das baterias de íon-lítio, os eletrodos com arquiteturas porosas podem levar a maiores capacidades de carga, "diz Panat." Isso ocorre porque tais arquiteturas permitem que o lítio penetre através do volume do eletrodo, levando a uma utilização muito elevada do eletrodo, e, portanto, maior capacidade de armazenamento de energia. Em baterias normais, 30-50% do volume total do eletrodo não é utilizado. Nosso método supera esse problema usando a impressão 3-D, onde criamos uma arquitetura de eletrodo de microlática que permite o transporte eficiente de lítio através de todo o eletrodo, o que também aumenta as taxas de carregamento da bateria. "

O método de manufatura aditiva apresentado no artigo de Panat representa um grande avanço na impressão de geometrias complexas para arquiteturas de bateria 3-D, bem como um passo importante para otimizar geometricamente as configurações 3-D para armazenamento de energia eletroquímica. Os pesquisadores estimam que essa tecnologia estará pronta para ser traduzida para aplicações industriais em cerca de 2-3 anos.

A estrutura microlática (Ag) usada como eletrodos de baterias de íon-lítio mostrou melhorar o desempenho da bateria de várias maneiras, como um aumento de quatro vezes na capacidade específica e um aumento de duas vezes na capacidade de área em comparação com um eletrodo de bloco sólido (Ag). Além disso, os eletrodos mantiveram suas estruturas de rede 3-D complexas após quarenta ciclos eletroquímicos demonstrando sua robustez mecânica. As baterias podem, portanto, ter alta capacidade para o mesmo peso ou, alternativamente, para a mesma capacidade, um peso amplamente reduzido - que é um atributo importante para aplicações de transporte.

Os pesquisadores da Carnegie Mellon desenvolveram seu próprio método de impressão 3-D para criar as arquiteturas de microlátticas porosas, aproveitando os recursos existentes de um sistema de impressão Aerosol Jet 3-D. O sistema Aerosol Jet também permite que os pesquisadores imprimam sensores planares e outros eletrônicos em escala micro, que foi implantado na Faculdade de Engenharia da Carnegie Mellon University no início deste ano.

Até agora, Os esforços da bateria impressa 3-D foram limitados à impressão baseada em extrusão, onde um fio de material é extrudado de um bico, criando estruturas contínuas. Estruturas interdigitadas foram possíveis usando este método. Com o método desenvolvido no laboratório de Panat, os pesquisadores são capazes de imprimir os eletrodos da bateria em 3D, reunindo rapidamente as gotas individuais, uma a uma, em estruturas tridimensionais. As estruturas resultantes têm geometrias complexas impossíveis de fabricar usando métodos de extrusão típicos.

"Porque essas gotículas são separadas umas das outras, podemos criar essas novas geometrias complexas, "diz Panat." Se este fosse um único fluxo de material, como é o caso da impressão por extrusão, não seríamos capazes de fazê-los. Isso é uma coisa nova. Não acredito que ninguém até agora tenha usado a impressão 3-D para criar esses tipos de estruturas complexas. "

Este método revolucionário será muito importante para produtos eletrônicos de consumo, indústria de dispositivos médicos, bem como aplicações aeroespaciais. Esta pesquisa se integrará bem com os dispositivos eletrônicos biomédicos, onde baterias miniaturizadas são necessárias. Microdispositivos eletrônicos não biológicos também serão beneficiados com este trabalho. E em uma escala maior, dispositivos eletrônicos, pequenos drones, e os próprios aplicativos aeroespaciais também podem usar essa tecnologia, devido ao baixo peso e alta capacidade das baterias impressas usando este método.

O time, que também inclui Ph.D. em engenharia mecânica. o estudante Mohammad Sadeq Saleh e o pesquisador de pós-doutorado Jie Li (Universidade de Ciência e Tecnologia do Missouri), também está trabalhando na criação de estruturas tridimensionais mais complexas, que podem ser usados ​​simultaneamente como materiais estruturais e como materiais funcionais. Por exemplo, uma parte de um drone pode atuar como uma asa, um material estrutural, enquanto atua simultaneamente como um material funcional, como uma bateria.