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爱尔兰科克大学:未来的电池将通过3D打印制造吗?

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爱尔兰科克大学:未来的电池将通过3D打印制造吗?

作者:
发布时间:
2019/12/25
【摘要】:
导读:该技术有望将体积更小、功能更强大的电池集成到产品中,并且可能在设计时考虑到回收利用。  锂离子电池是我们21世纪生活方式的使能技术之一。这些能量包使移动电话和电动汽车、笔记本电脑和医疗保健设备、机器人和远程操作的传感器等成为可能。这并不奇怪,因为今年早些时候,他们的开发人员被授予诺贝尔化学奖。   
  来源:3D打印商情
  导读:该技术有望将体积更小、功能更强大的电池集成到产品中,并且可能在设计时考虑到回收利用。
  锂离子电池是我们21世纪生活方式的使能技术之一。这些能量包使移动电话和电动汽车、笔记本电脑和医疗保健设备、机器人和远程操作的传感器等成为可能。这并不奇怪,因为今年早些时候,他们的开发人员被授予诺贝尔化学奖。
 
 
  但是材料科学家迫切需要更好的电池,用于物联网以及下一代个人设备等等。更好的电池也将在储存风能和太阳能等可再生但不稳定的能源方面发挥重要作用。电池性能是众多不同因素共同作用的结果。能量密度至关重要,保持电荷而不会泄漏的能力也一样重要,还有就是充电次数——不仅一次,而是成千上万次,当然,还有安全性。
  电化学研究人员非常清楚这种平衡是多么微妙。因此,电池制造商对尝试新方法持谨慎态度,以免造成性能下降,所以,电池性能增强通常是渐进的且微小的。电池从哪里可以获得重大改进?
  未来的电池将通过3D打印制造
  答案五花八门,近日,爱尔兰科克大学的Vladimir Egorov及一些同事宣布:未来的电池将通过3D打印制造。这些研究人员已经研究了各种新的电池打印技术,并认为这将使新一代更小、更强大的设备成为可能。
  3D打印可以成为进行测试的原型设计的一种方法,现在已经可以打印出奇特的食品、替换的身体部位甚至整个建筑物。同时使用许多打印机还可以批量生产汽车及飞机零件,还有鞋子等物品。并且,当有新设计可用时,可以快速打印,而无需重新配置工厂空间。
 
 
  材料科学家也已经开始尝试使用聚合物墨水和银聚合物作为材料来打印电子电路,不再需要焊接。这样,电路板可以呈现成任何形状,甚至可以构成设备结构的一部分。
  然而,一个明显的限制是:需要纳入常规电池,这些电池有特定的尺寸和形状。打印3D电池的能力将改变这一点。“如果可以打印它们并无缝地集成到产品设计中,那么,出于美观以及舒适性或功能性的原因,在产品设计阶段就不需要容纳体积更大且固定尺寸的标准电池。” Egorov说。
  说起来容易做起来难。电池中使用的电活性材料具有固有的反应性,并且阳极和阴极等结构在物理上很复杂。它们通常必须像晶体一样有序,有时必须像分子海绵一样是多孔的,必须具有良好的化学特性。
  要创造适合3D打印的材料,无论是通过挤压固体或液体,还是通过液体聚合,都是具有挑战性的。一旦打印,这些材料必须保持其电气互连,严格控制组件之间发生的任何化学反,并确保电池可以在多个循环中进行充电和放电。
  最重要的是,电池必须是安全的。所有电池都必须通过严格的安全标准,才能在家庭、车辆、飞机等中使用。泄漏的电池会造成昂贵的损坏,最严重的会引发火灾。可能的话,必须更改测试标准,以允许不断变化的新设计。
 
 
  即使所有这些挑战都可以克服,仍还有一个问题亟待解决:3D打印电池的功能能否超过现有设计?Egorov及他的团队全面概述了电池行业在打印未来电源组时所面临的材料、方法和挑战。但是评论者错过了未来电池设计的重要元素,即3D打印可以发挥重要作用。
  电池行业面临的最大也是最重要的挑战之一是如何使其产品可回收利用。当今的电池经过特殊设计,不容易拆解,所以重复使用它们所含的有价值的材料几乎是不可能的。这对于一项在化石燃料向可再生能源社会过渡中发挥核心作用的技术而言并不理想。
  因此,改革是非常必要的。目前的想法是,电池的设计必须从一开始就考虑到回收,而这将需要电池设计者全新的思维方式。3D打印所提供的灵活性有可能启动和加速这场急需的革命。
  尽管Egerov和他的同事的论文中忽略了这个问题——“回收”一词在他们的论文中没有出现,但这却是电池行业的企业承当不起的问题。