法国：采用石墨的FDM 3D打印可提供更好的电池

在最近发表的“ 通过熔融沉积建模对LiFePO 4 /石墨电池进行3D打印 ”中，法国研究人员探索了改进的制造电池的方法。由于其多功能性，研究人员选择FDM 3D打印，并配有石墨/ PLA灯丝。能源和可持续性已成为当今世界广泛讨论的话题和关注点，并且随着3D打印技术通过各种不同的软件，硬件和材料持续发展，在储能和节能等领域的创新也在不断发展，这包括形状的定制，包括：

• 电极
• 分离器
• 固体高分子电解质
• 集电器
  

如今，电池和电子产品可以直接集成到3D打印产品中，这是“在减小体积和重量的同时最大化能量存储的需求”的直接结果。以前的研究人员已经使用商用石墨烯基聚乳酸丝作为材料，成功地进行了3D打印设备; 但是，材料的负载始终很低，足以显着影响电化学性能。文献报道了为FDM工艺准备的灯丝特性摘要。氦比重瓶材料密度用于重量-体积转换。

对于这项研究，研究人员已经意识到，添加增塑剂可以克服材料的局限性：

“的确，我们报道了一种高负载的3D可打印石墨/ PLA灯丝，该灯丝被专门设计用作锂离子电池的负极并用于传统的FDM 3D打印机。灯丝内的活性物质含量（石墨）应尽可能高地增加（整个复合材料中石墨的含量为49.2 wt％，因此相当于每cm 3 773 mg活性物质），以改善电化学性能，同时保留足够的机械强度特别是由于添加了聚乙二醇二甲醚，平均Mn〜500起到了增塑剂的作用。”研究人员说。

“因此，通过FDM获得的负极圆盘具有前所未有的可逆容量：在18.6的电流密度下 ，活性物质为200 mAh g -1（ 总复合材料为99 mAh g -1或至154.6 mAh cm -3） 6次循环后的mA g -1（C / 20）和电流密度为37.3 mA g -1  （C  时为140 mAh g -1的活性材料（ 总复合材料为69 mAh g -1或108.2 mAh cm -3）/ 10）。”

研究人员进一步开展了工作，但他们围绕优化LFP-PLA和PLA-SiO 2复合材料3D打印丝进行了研究，他们探索了炭黑作为正极导电添加剂和陶瓷添加剂的应用。分隔器。借助3D打印提供的灵活性，可以创建更复杂的几何形状，并更好地优化材料，并且更容易组装，因为可以一次创建所有零件。

研究人员说：“意识到3D打印机标称分辨率带来的局限性，这项工作在这里用作概念证明。”

（a）配制​​过程：（1）将所有组分混合到溶剂中后，通过刮刀刮涂法将淤浆铺展在玻璃载体上，最后得到薄膜；（2）将复合膜均质片引入挤出机中。获得并卷绕了典型的直径为1.75 mm的3D打印丝。（3）将细丝引入到商用FDM 3D打印机中；DSC曲线：（b）具有不同量的导电添加剂（CSP）的纯PLA，PLA / LFP wt％40/60和PLA / LFP / PEGDME500；（c）比较10％CSP样品的胶片，长丝和3D打印的光盘。

使用增塑剂聚（乙二醇）二甲醚平均Mn〜500（PEGDME500），在80°C'左右有一个小的放热结晶峰（Tc）。温差是恒定的，并且据研究人员称，增塑的PLA / LFP薄膜的Tm低于未增塑剂的Tm，从142°C降至约132°C。为了鼓励电导率，研究团队创建了具有不同CSP范围的样品。当该含量增加时，吸热峰不变。但是，放热结晶峰（Tc）并非如此，该峰已更改为较低的温度，对于20％CSP样品，达到74°C。科学家指出，这种行为可能归因于PLA基质中的CSP。

“这项研究通过合并电池和3D打印技术，解决了许多电化学（厚度，电子和离子电导率，电解质吸收）和3D打印参数（填充密度，填充图案，周长，过度挤出和欠挤出，回缩），研究人员总结说：“这为性能更好的3D打印锂离子电池开辟了道路。”

“最后，由于这项工作在这里用作概念验证，因此作者深知，目前，电极和隔板图案是2D的，因此可以使用非3D打印技术来实现。但是，未来的工作将集中在复杂的3D电池架构上，这需要对系统进行重大调整并进行彻底的设计优化。即将进行的研究也可能致力于机械地改善FDM 3D打印机的分辨率，并通过使用多喷嘴配置简化一次打印一次完整电池的乏味步骤。”

研究人员一直在寻找更好的3D打印电池方法，从定制定制的灯丝到3D冷冻打印，可穿戴设备的创新等等。您如何看待这个新闻？让我们知道您的想法！在3DPrintBoard.com上加入有关此主题和其他3D打印主题的讨论。

（a）含有CSP作为导电添加剂的样品的电导率的阿伦尼乌斯图；（b）胶片和3D打印的10％CSP光盘样品在不同C速率下的容量保留图。（c）3D打印的10％CSP光盘样品的充电/放电容量曲线。注意，对于那些实验，使用了商用的玻璃纤维隔板。（d）对于含不同SiO2含量的样品，在1M LiPF6的EC：DEC 1：1体积％电解液中1 h和10 h后的电导率。

（a）可以使用经典的3D打印切片机软件获得的不同隔板填充图案（填充密度为40％）；（b）相同填充图案的各种填充密度（希尔伯特曲线）；浸渍1 h后的完整电池组在4.25 mA.g-1（C / 40）时的容量保持曲线：（c）使用100％填充密度的隔板和（d）使用70％填充密度的阿基米德和弦模式。在这里，请注意每层的厚度为200 μm。


编译：3dprint.com