L'architecture en treillis peut fournir des canaux pour un transport efficace de l'électrolyte à l'intérieur du volume de matériau, tandis que pour l'électrode cube, la plupart des matériaux ne seront pas exposés à l'électrolyte. La vue en coupe montre le maillage d'argent permettant le transport de la charge (ions Li+) vers le collecteur de courant et comment la majeure partie du matériel imprimé a été utilisée. Crédit :Rahul Panat, Collège d'ingénierie de l'Université Carnegie Mellon
La fabrication additive, autrement connu sous le nom d'impression 3D, peut être utilisé pour fabriquer des électrodes poreuses pour batteries lithium-ion, mais en raison de la nature du processus de fabrication, la conception de ces électrodes imprimées en 3D est limitée à quelques architectures possibles. Jusqu'à maintenant, la géométrie interne qui a produit les meilleures électrodes poreuses grâce à la fabrication additive était ce que l'on appelle une géométrie interdigitée :des broches métalliques s'emboîtant comme les doigts de deux mains jointes avec la navette au lithium entre les deux côtés.
La capacité de la batterie lithium-ion peut être considérablement améliorée si, à l'échelle microscopique, leurs électrodes ont des pores et des canaux. Une géométrie interdigitée, bien qu'il permette au lithium de se transporter efficacement à travers la batterie pendant la charge et la décharge, n'est pas optimal.
Raoul Panat, professeur agrégé de génie mécanique à l'Université Carnegie Mellon, et une équipe de chercheurs de Carnegie Mellon en collaboration avec l'Université des sciences et technologies du Missouri ont développé une nouvelle méthode révolutionnaire d'impression 3D d'électrodes de batterie qui crée une structure de microréseau 3D à porosité contrôlée. Impression 3D de cette structure en microréseau, les chercheurs montrent dans un article publié dans la revue La fabrication additive , améliore considérablement la capacité et les taux de charge-décharge des batteries lithium-ion.
« Dans le cas des batteries lithium-ion, les électrodes à architectures poreuses peuvent conduire à des capacités de charge plus élevées, " explique Panat. " C'est parce que de telles architectures permettent au lithium de pénétrer à travers le volume de l'électrode conduisant à une utilisation très élevée de l'électrode, et donc une plus grande capacité de stockage d'énergie. Dans les batteries normales, 30 à 50 % du volume total de l'électrode est inutilisé. Notre méthode surmonte ce problème en utilisant l'impression 3D où nous créons une architecture d'électrode en microréseau qui permet le transport efficace du lithium à travers l'ensemble de l'électrode, ce qui augmente également les taux de charge de la batterie."
Micro-réseau. Crédit :Rahul Panat, Collège d'ingénierie de l'Université Carnegie Mellon
La méthode de fabrication additive présentée dans l'article de Panat représente une avancée majeure dans l'impression de géométries complexes pour les architectures de batteries 3D, ainsi qu'une étape importante vers l'optimisation géométrique des configurations 3-D pour le stockage électrochimique de l'énergie. Les chercheurs estiment que cette technologie sera prête à se transformer en applications industrielles dans environ 2-3 ans.
Il a été démontré que la structure en microréseau (Ag) utilisée comme électrodes des batteries lithium-ion améliore les performances de la batterie de plusieurs manières, telles qu'une augmentation de quatre fois la capacité spécifique et une augmentation de deux fois de la capacité surfacique par rapport à une électrode à bloc solide (Ag). Par ailleurs, les électrodes ont conservé leurs structures complexes en treillis 3-D après quarante cycles électrochimiques démontrant leur robustesse mécanique. Les batteries peuvent ainsi avoir une capacité élevée pour un même poids ou en alternance, pour la même capacité, un poids considérablement réduit, ce qui est un attribut important pour les applications de transport.
Les chercheurs de Carnegie Mellon ont développé leur propre méthode d'impression 3D pour créer les architectures de microréseaux poreux tout en tirant parti des capacités existantes d'un système d'impression 3D Aerosol Jet. Le système Aerosol Jet permet également aux chercheurs d'imprimer des capteurs planaires et d'autres composants électroniques à une micro-échelle, qui a été déployé au Collège d'ingénierie de l'Université Carnegie Mellon plus tôt cette année.
Images SEM d'électrodes imprimées en 3D pour les batteries Li-ion utilisées pour le cycle électrochimique dans l'étude des chercheurs. Image prise du haut d'électrodes en microréseau d'une hauteur d'environ 250 mm. Crédit :Rahul Panat et Mohammad Sadeq Saleh
Jusqu'à maintenant, Les efforts des batteries imprimées en 3D se sont limités à l'impression par extrusion, où un fil de matière est extrudé à partir d'une buse, créer des structures continues. Des structures interdigitées étaient possibles en utilisant cette méthode. Avec la méthode développée dans le laboratoire de Panat, les chercheurs sont capables d'imprimer en 3D les électrodes de la batterie en assemblant rapidement des gouttelettes individuelles une par une dans des structures tridimensionnelles. Les structures résultantes ont des géométries complexes impossibles à fabriquer en utilisant des méthodes d'extrusion typiques.
"Parce que ces gouttelettes sont séparées les unes des autres, nous pouvons créer ces nouvelles géométries complexes, " dit Panat. " S'il s'agissait d'un seul flux de matière, comme dans le cas de l'impression par extrusion, nous ne serions pas en mesure de les faire. C'est une nouveauté. Je pense que personne jusqu'à présent n'a utilisé l'impression 3D pour créer ce genre de structures complexes."
Cette méthode révolutionnaire sera très importante pour l'électronique grand public, industrie des dispositifs médicaux, ainsi que les applications aérospatiales. Cette recherche s'intégrera bien avec les dispositifs électroniques biomédicaux, où des batteries miniaturisées sont nécessaires. Les micro-dispositifs électroniques non biologiques bénéficieront également de ces travaux. Et à plus grande échelle, appareils électroniques, petits drones, et les applications aérospatiales elles-mêmes peuvent également utiliser cette technologie, en raison du faible poids et de la grande capacité des batteries imprimées à l'aide de cette méthode.
L'équipe, qui comprend également un doctorat en génie mécanique. étudiant Mohammad Sadeq Saleh et chercheur postdoctoral Jie Li (Missouri University of Science and Technology), travaille également à la création de structures tridimensionnelles plus complexes, qui peuvent être utilisés à la fois comme matériaux de structure et comme matériaux fonctionnels. Par exemple, une partie d'un drone peut faire office d'aile, un matériau de structure, tout en agissant simultanément comme un matériau fonctionnel tel qu'une batterie.
