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东南大学陈云飞&吕之阳Joule综述:揭秘3D打印电池的设计与制造

东南大学陈云飞&吕之阳Joule综述:揭秘3D打印电池的设计与制造

通讯作者:陈云飞、吕之阳

通讯单位:东南大学、新加坡国立大学

东南大学陈云飞&吕之阳Joule综述:揭秘3D打印电池的设计与制造

研究背景

电化学储能装置主要通过化学反应储存和释放电能,是便携式设备和电动汽车的动力电源,也是基于可再生能源的电网的关键组成部分。可充电锂离子电池(LIBs)是目前最常见的储能设备之一。这些“屡获诺贝尔奖”的电池已经为日常生活提供动力,被广泛用于移动电话、笔记本电脑和电动汽车等设备中,并用作太阳能和风能等可再生能源的储能装置。随着技术的进步,各种新型的小型化电子产品应运而生,如植入式医疗设备、远程微型传感器和发射器、智能卡、无线传感器网络和物联网(IoT)。因此,进一步开发这些新兴技术的独特的小型化电源是至关重要的。一般来说,这类电源具有微型尺寸和美观多样的特点,并具有高能量密度,能持续供应较长的时间。但在这些微型电子系统中,更换电池的成本往往过高。然而,目前可用的商业电池规模很大,并被传统的形状所限制,例如圆柱形、矩形、硬币和棱柱形类型。

3D打印(又称增材制造)是一种基于数字模型文件,通过对原材料逐层叠加、积累,构建三维物体的尖端制造技术具有任意成型、快速成型、生产效率高等优点,引领了新一轮制造革命。本综述介绍了3D打印电池的关键技术,重点是可打印材料和打印技术之间的密切联系,以及各级合理设计,旨在为新一代3D打印电池的设计和制造提供新的启示。

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成果简介

近日,东南大学机械工程学院、江苏省微纳生物医疗与器械设计与制造重点实验室陈云飞教授、吕之阳副教授团队围绕3D打印电池的设计与制造”主题,在Joule上发表了题为“Design and Manufacture of 3D-Printed Batteries”的综述文章。3D打印电池作为一类独特的储能设备,具有微型尺寸和美观多样的突出特点,对电子产品的小型化和定制至关重要。理解在电池材料和结构中的3D打印设计是优化电池性能和实现3D打印电池定制的关键。本文介绍了3D打印电池的最新进展,包括可打印材料与打印技术之间的联系以及合理的设计考虑。文章首先介绍了3D打印技术的独特特点,然后重点介绍可打印电池模块和使其可打印的一般技术方法,以及3D打印设计在电池组装结构,电池结构和电池性能中的重要作用。最后,从打印材料、打印技术、打印设计和打印电池器件四个方面阐述了目前面临的挑战和研究前景。

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文章亮点

1. 比较分析了3D打印电池、传统电池和三维微型电池在制造工艺和性能方面的优势;

2. 总结了四种常见的3D打印电池技术的特点,建立了打印电池材料与打印技术的联系,提出了不同打印技术下电池组件打印的基本策略;

3. 总结了3D打印电池的组件结构和器件配置的设计,增强了3D打印设计对于解决电池领域具体科技问题的重要性;

4. 从打印材料、打印技术、打印设计和打印电池器件四个方面指出了3D打印电池目前面临的挑战和未来的发展方向。

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图文导读

东南大学陈云飞&吕之阳Joule综述:揭秘3D打印电池的设计与制造

图1. 传统电池、三维微电池和3D打印电池的制造过程及性能特点比较。

3D打印技术,即增材制造(AM)是一种完全自下而上的制造技术,能够以最小的材料损耗和较低的成本快速制造复杂的几何结构。在过去几年,3D打印技术已成功地应用于各种电池和微电池的制造,具有不受形状因素影响、形状适应性强等突出特点。与传统电池制造工艺相比,3D打印电池在尺寸和结构设计上更加灵活;与三维微型电池制造工艺相比,3D打印电池所需的制造设备成本更低,而且电池的结构设计也更加灵活。在电池性能方面,3D打印电池具有更高的面积能量密度和功率密度。

东南大学陈云飞&吕之阳Joule综述:揭秘3D打印电池的设计与制造图2. 3D打印电池技术的原理和技术特点

图2显示了四种打印技术在材料范围、油墨要求、分辨率、设计通用性、吞吐量、尺寸能力、多材料能力和成本方面的打印原理和优缺点。这里介绍了4种常用3D打印电池技术的工作原理,特别是结合了电池活性材料的要求,即高电导率和离子导电性。从打印材料种类、浆料要求、打印精度、设计自由度、产量、打印尺寸、多材料印刷能力和成本8个方面详细阐述了4种3D打印技术的特点。相比之下,浆料直写成型技术(DIW)技术拥有更广泛的打印材料种类、更精细的精度、更大的设计自由度、高产量、大打印尺寸、多种材料同时打印以及低成本等技术优势。

东南大学陈云飞&吕之阳Joule综述:揭秘3D打印电池的设计与制造图3. 3D打印电池材料总结

电池可以被分为两类:一次(不可充电)电池和二次(可充电)电池。在这两种电池中,二次电池占据了电池市场的主导地位,因为它们在放电后可以进行充电,主要包括铅酸、镍镉、镍金属氢化物、锂离子和液流电池等。在这篇综述中,重点是介绍3D打印电池,主要包括LIBs和锂离子系统以外的新电池,如Na-ion、固态锂金属、Li-S和Li-O2电池。

目前,打印电池组件主要有正极、负极和电解液。还有少量的打印材料,如集流体、隔膜和封装材料。打印电池类别包括目前商业化的锂离子电池,以及下一代新型电池,如钠离子电池、锂硫电池、锂空气电池和锌离子电池等。根据发展时间轴,总结了当前打印电池材料的类型和所使用的打印技术的类型。其中磷酸铁锂是最常用的打印正极材料,而浆料直写打印技术(DIW)是最常用的打印技术。建立了打印电池材料与打印技术的直接联系。综述了四种打印技术在以电池活性材料配置打印浆料/进料的制备过程。

东南大学陈云飞&吕之阳Joule综述:揭秘3D打印电池的设计与制造图4. 3D打印在电池构筑上的设计

3D打印电极是通过直接打印来构建的,也需要后处理工艺,如溶剂蒸发、冷冻干燥、退火、物理化学处理和光/热固化等。这些后处理程序是常用的,因为印刷活性材料应具有高导电性能、电化学活性和机械稳定性的结合。概述了电池组件的构筑策略、直接打印和后处理方式(包括转化、修改、填充等)。由于电池活性材料的特殊要求,后处理是最常用的方法。总结了目前常见的打印电极结构类型,包括薄膜、三维多孔骨架、表面花纹和线条以及所使用的3D打印技术的类型。同时也总结了目前常用的打印电池结构类型,包括三明治型、平面内型、同心管型和线性型,以及这些类型电池的特点。

东南大学陈云飞&吕之阳Joule综述:揭秘3D打印电池的设计与制造图5. 3D打印技术对电池性能上的影响

首先,该综述讨论了基于重量、面积或体积参数的性能评价标准。重量性能传统上被用作评估电极材料在基础研究中的优势,而面积和体积性能是评估应用的实际潜力的关键参数,特别是对于追求“小而强大”性能的3D打印电池。3D打印电池最大的优势在于其具有定制特性的尺寸和结构,从微型电池到任何构型的定制化电池。3D打印可以增加电极厚度,减少离子传输路径,从而提高电池的面积能量密度和功率密度。

东南大学陈云飞&吕之阳Joule综述:揭秘3D打印电池的设计与制造图6. 以电池中具体问题为导向的3D打印案例。

3D打印设计的优点不仅在于电池的任意配置和增强性能,而且体现在解决电池中特殊科技问题的解决方案中。在此,简要介绍了不同电池研究主题中一些典型的面向问题的设计,包括固态电池、锂金属电池和氧化还原流动电池,重点介绍了3D打印如何帮助缓解一些悬而未决的问题。然而,从这一角度进行的研究一般很少。然而,更多的研究集中在利用3D打印来解决传统制造过程面临的目标问题,而不是专注于简单地制备印刷电池材料的研究。3D打印电池不仅具有图5所述的优点,还可以通过打印材料和结构的设计,解决电池领域中的科学和技术上的具体问题。因此,在未来3D打印能源器件的相关研究中,不仅要体现可打印能源材料的发展,更要体现3D打印设计的独特性。

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总结与展望

东南大学陈云飞&吕之阳Joule综述:揭秘3D打印电池的设计与制造 图7. 3D打印电池的挑战和展望。

本文从打印材料、打印技术、打印设计和打印电池器件四个方面阐述了当前面临的挑战和未来的研究方向。在器件材料方面,构建打印材料的理化性能特性与打印浆料/进料要求的关系,开发新型功能性打印材料,提高打印材料的机械强度;在打印技术方面,寻找低成本、高精度的打印技术,避免或简化打印后处理过程,结合新兴的4D打印技术;在打印设计方面,扩大电池组件结构和电池构型,更多地考虑问题导向型的打印设计;在打印电池器件方面,开发电池和设备的全印刷一体化设计,探索大规模生产和定制应用。

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文献链接

Design and Manufacture of 3D-Printed Batteries.( Joule, 2020,DOI: 10.1016/j.joule.2020.11.010)

文献链接:

https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.11.010

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