लिथियम बैटरी की अगली पीढ़ी 3 डी प्रिंटिंग

माइक्रोस्कोकल पर, लिथियम-आयन बैटरी क्षमता में काफी सुधार किया जा सकता है, उनके इलेक्ट्रोड में छिद्र और चैनल होते हैं। एक अंतःस्थापित ज्यामिति, हालांकि यह चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान बैटरी के माध्यम से लिथियम को परिवहन के माध्यम से परिवहन करने की इजाजत देता है, यह इष्टतम नहीं है।

कार्नेगी मेलॉन विश्वविद्यालय में मैकेनिकल इंजीनियरिंग के एक सहयोगी प्रोफेसर राहुल पानाट और मिसौरी विश्वविद्यालय विज्ञान और प्रौद्योगिकी के सहयोग से कार्नेगी मेलॉन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने 3-डी प्रिंटिंग बैटरी इलेक्ट्रोड की एक क्रांतिकारी नई विधि विकसित की है जो 3-डी बनाता है नियंत्रित porosity के साथ microlattice संरचना। 3-डी इस माइक्रो्रोलैटिस संरचना को प्रिंट करते हुए, शोधकर्ता जर्नल एडिवेटिव मैन्युफैक्चरिंग में प्रकाशित एक पेपर में दिखाते हैं, लिथियम-आयन बैटरी के लिए क्षमता और चार्ज-डिस्चार्ज दरों में काफी सुधार करता है।

पैनाट कहते हैं, "लिथियम-आयन बैटरी के मामले में, छिद्रपूर्ण आर्किटेक्चर वाले इलेक्ट्रोड उच्च चार्ज क्षमता का कारण बन सकते हैं।" "ऐसा इसलिए है क्योंकि इस तरह के आर्किटेक्चर लिथियम को इलेक्ट्रोड वॉल्यूम के माध्यम से प्रवेश करने की इजाजत देते हैं जिससे बहुत अधिक इलेक्ट्रोड उपयोग होता है, और इस प्रकार उच्च ऊर्जा भंडारण क्षमता होती है। सामान्य बैटरी में, कुल इलेक्ट्रोड मात्रा का 30-50% अप्रयुक्त होता है। हमारी विधि इस मुद्दे पर विजय प्राप्त करती है 3 डी प्रिंटिंग का उपयोग करके जहां हम एक माइक्रो्रोलैटिस इलेक्ट्रोड आर्किटेक्चर बनाते हैं जो पूरे इलेक्ट्रोड के माध्यम से लिथियम के कुशल परिवहन की अनुमति देता है, जो बैटरी चार्जिंग दरों को भी बढ़ाता है। "

पनाट के पेपर में प्रस्तुत मिश्रित विनिर्माण विधि 3-डी बैटरी आर्किटेक्चर के लिए जटिल जटिल ज्यामिति मुद्रण में एक प्रमुख प्रगति का प्रतिनिधित्व करती है, साथ ही इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भंडारण के लिए 3-डी कॉन्फ़िगरेशन को ज्यामितीय रूप से अनुकूलित करने की ओर एक महत्वपूर्ण कदम भी दर्शाती है। शोधकर्ताओं का अनुमान है कि यह तकनीक लगभग 2-3 वर्षों में औद्योगिक अनुप्रयोगों में अनुवाद करने के लिए तैयार होगी।

लिथियम-आयन बैटरियों के इलेक्ट्रोड के रूप में उपयोग की जाने वाली माइक्रो्रोलैटिस संरचना (एजी) को एक ठोस ब्लॉक (एजी) इलेक्ट्रोड की तुलना में विशिष्ट क्षमता में चार गुना वृद्धि और क्षेत्रीय क्षमता में दो गुना वृद्धि जैसे बैटरी प्रदर्शन में सुधार करने के लिए दिखाया गया था। इसके अलावा, इलेक्ट्रोड ने अपने जटिल 3 डी जाली संरचनाओं को चालीस इलेक्ट्रोकेमिकल चक्रों के बाद अपने यांत्रिक मजबूती का प्रदर्शन करने के बाद बनाए रखा। इस प्रकार बैटरी के समान वजन या वैकल्पिक रूप से उच्च क्षमता हो सकती है, उसी क्षमता के लिए, एक बहुत कम वजन - जो परिवहन अनुप्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण विशेषता है।

कार्नेगी मेलॉन शोधकर्ताओं ने एक एरोसोल जेट 3-डी मुद्रण प्रणाली की मौजूदा क्षमताओं का लाभ उठाने के दौरान छिद्रपूर्ण माइक्रो्रोलैटिस आर्किटेक्चर बनाने के लिए अपनी 3-डी प्रिंटिंग विधि विकसित की। एरोसोल जेट सिस्टम शोधकर्ताओं को सूक्ष्म पैमाने पर प्लानर सेंसर और अन्य इलेक्ट्रॉनिक्स प्रिंट करने की इजाजत देता है, जिसे इस साल की शुरुआत में कार्नेगी मेलॉन यूनिवर्सिटी कॉलेज ऑफ इंजीनियरिंग में तैनात किया गया था।

अब तक, 3-डी मुद्रित बैटरी प्रयास एक्सट्रूज़न-आधारित प्रिंटिंग तक ही सीमित थे, जहां सामग्री के तार को नोजल से निकाला जाता है, निरंतर संरचनाएं बनाते हैं। इस विधि का उपयोग कर अंतःस्थापित संरचनाएं संभव थीं। पैनाट की प्रयोगशाला में विकसित विधि के साथ, शोधकर्ता 3-डी बैटरी इलेक्ट्रोड को तेजी से व्यक्तिगत बूंदों को एक-एक-एक त्रि-आयामी संरचनाओं में जोड़कर प्रिंट कर सकते हैं। परिणामी संरचनाओं में जटिल ज्यामिति सामान्य एक्सट्रूज़न विधियों का उपयोग करके गठबंधन करना असंभव है।

पनाट कहते हैं, "चूंकि ये बूंदें एक-दूसरे से अलग होती हैं, इसलिए हम इन नई जटिल ज्यामिति बना सकते हैं।" "अगर यह सामग्री की एक धारा थी, जैसा एक्सट्रूज़न प्रिंटिंग के मामले में है, तो हम उन्हें बनाने में सक्षम नहीं होंगे। यह एक नई बात है। मुझे किसी पर विश्वास नहीं है जब तक कि अब तक 3-डी प्रिंटिंग का उपयोग नहीं हुआ है इस तरह के जटिल संरचनाएं बनाएं। "

उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, चिकित्सा उपकरणों उद्योग, साथ ही एयरोस्पेस अनुप्रयोगों के लिए यह क्रांतिकारी विधि बहुत महत्वपूर्ण होगी। यह शोध जैव चिकित्सा इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के साथ अच्छी तरह से एकीकृत होगा, जहां miniaturized बैटरी की आवश्यकता है। गैर-जैविक इलेक्ट्रॉनिक माइक्रो-डिवाइस भी इस काम से लाभान्वित होंगे। और इस विधि का उपयोग करके मुद्रित बैटरी की कम वजन और उच्च क्षमता के कारण, बड़े पैमाने पर, इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस, छोटे ड्रोन और एयरोस्पेस अनुप्रयोग स्वयं भी इस तकनीक का उपयोग कर सकते हैं।

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