自定义3D打印机打印锂离子微滴定型

研究人员3D打印锂离子微电池

哈佛大学Wyss研究所和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一个研究小组首次展示了3d打印电池的能力。这张图片展示了交错的电极堆叠,它们被一层一层地打印出来,形成了微电池的工作阳极和阴极。资料来源:孙柯、魏登升、詹妮弗•刘易斯、沈杰•狄龙

一组研究人员使用定制的3D打印机打印出一粒沙子大小的锂离子微电池,为未来微型医疗植入物、小型电子设备、微型机器人等的发展打开了大门。

波士顿,马萨诸塞州——3D打印技术现在可以用来打印一粒沙子大小的锂离子微电池。这种打印出来的微型电池可以为从医学到通信等领域的微型设备提供电力,包括许多因为缺乏足够小的电池而徘徊在实验室长凳上的设备,但又能提供足够的存储能量为它们供电。

为了制造这种微型电池,一个来自哈佛大学和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的团队精确地打印出了交错排列的微型电池电极,每个电极的宽度都小于人类头发的宽度。

“我们第一次展示我们第一次进行3D打印电池,我们以最严格的方式证明了它,”詹妮弗·刘易斯,博士说,这项研究的高级作者,谁也是HansjörgWyss哈佛工程和应用科学学院(SEA)的生物学启发工程学教授,以及哈佛大学的智慧生物学启发工程研究所的核心教师。刘易斯在伊利诺伊州伊利诺伊大学的伊利诺伊州立大学的职位上领先,与合作的沉迪尔顿合作,是一名材料科学与工程助理教授的合作。

这项研究结果发表在今天的《先进材料》网络版上

近年来,工程师发明了许多小型化器件,包括医疗植入物,飞行昆虫的机器人,以及适合一副眼镜​​的微小摄像机和麦克风。但是,动力的电池通常比设备本身大或大 - 这击败了建筑物的目的。

定制的3D打印机打印电池

为了制造这种微电池,一台定制的3D打印机通过一个比人的头发还细的喷嘴挤出特殊的墨水。这些墨水一层一层地固化形成电池的正极(红色)和负极(紫色)。然后,一个绿色的外壳将电极和电解质溶液包裹起来,以形成工作的微电池。资料来源:孙柯、安博耀、詹妮弗·刘易斯、沈杰·狄龙

为了解决这个问题,制造商传统上沉积固态材料薄膜来制造电极。然而,由于它们的超薄设计,这些固态微电池无法储存足够的能量来为未来的小型化设备供电。

科学家们意识到他们可以打包更多的能量,如果它们可以产生堆叠的紧密隔离,超薄电极,这是由飞机构成的。为此,它们转向3D打印。3D打印机遵循三维计算机图纸的说明,沉积连续的材料层 - 墨水 - 墨水 - 从地下构建物理对象,就像一次堆叠一块卡片。该技术用于各种领域,从生产牙科实验室的冠,以快速原型设计航空航天,汽车和消费品。刘易斯集团大大扩大了3D打印的能力。它们设计了各种功能性墨水 - 具有有用的化学和电气性能。它们使用了这些墨水与其定制的3D打印机,以创建精确的结构,其中包含它们所需的电子,光学,机械或生物学相关性能。

为了打印3D电极,刘易斯的团队首先发明并测试了几种特殊的墨水。与办公室喷墨打印机中的墨水不同的是,打印机中的墨水是液滴状的液体,可以润湿纸张,而为挤出型3D打印开发的墨水必须满足两个困难的要求。它们必须像牙膏一样从管子里挤出精细的喷嘴,必须立即凝固成最终的形状。


在这段视频中,一个比人的头发还细的3d打印机喷嘴,一层一层地释放出一种特殊配方的“墨水”,从头到尾制造出微电池的阳极。与办公室喷墨打印机的墨水不同,这些3d打印机的墨水是特殊配制的,可以像牙膏一样从管中挤出喷嘴,然后立即硬化成与薄膜制造方法产生的一样窄的层。此外,墨水中含有一种锂金属氧化物的纳米颗粒,它赋予阳极适当的电性能。(资料来源:魏登星、安博耀、詹妮弗·刘易斯)

在这种情况下,墨水还必须作为电化学活性材料来创造工作的阳极和阴极,它们必须硬化成与薄膜制造方法产生的薄膜一样窄的层。为了实现这些目标,研究人员用一种锂金属氧化物的纳米颗粒和另一种金属氧化物的纳米颗粒为阳极创造了一种墨水。打印机将墨水沉积在两个金梳子的齿上,形成了一组紧密交错的阳极和阴极。然后研究人员将电极封装到一个小容器中,并在里面装满电解质溶液来完成电池。

接下来,他们测量了微型电池能容纳多少能量,它们能提供多少能量,以及充电时间。“在充放电率、循环寿命和能量密度方面,其电化学性能可与商用电池相媲美。我们只是能够在更小的规模上实现这一点,”Dillon说。

“Jennifer创新的微电池墨水设计极大地扩展了3D打印的实际用途,同时为所有类型的设备的微型化开辟了全新的可能性,包括医疗和非医疗设备。这是非常令人兴奋的,”Wyss的创始主任Donald Ingber医学博士说。

该工作得到了国家科学基金会和DOE能源前沿研究中心的能量转换中的轻质互动。除了刘易斯和狄龙之外,本文的作者还包括:伊利诺伊州伊利诺伊大学材料科学与工程研究生,厄巴纳 - 香槟的研究生,谁是领先作者;哈佛海的研究生滕唱威;Bok Yeop Ahn,Ph.D.,Wyss Institute和Seas的高级研究科学家;韩国先进科学与技术研究院,刘玉迅SEO,博士,刘易斯集团访问科学家。

孙珂等,“交叉指锂离子微电池结构的3D打印”,《先进材料》,2013年6月17日;DOI: 10.1002 / adma.201301036

图片:Ke Sun,Teng-Sing Wei,Jennifer Lewis,Shen J. Dillon

4评论在“自定义3D打印机打印锂离子微滴乳”

  1. 拉里克拉维茨|2013年6月19日上午9:24|回复

    记住,在20世纪早期,有些人想要关闭专利局,因为所有可以发明的东西都已经存在了!

  2. 两件事。首先,图中的电池会短路。正极和阴极在图像右下角接触。第二,刻度器会很好。

  3. 3D打印是一项不可思议的发明。现在用它可以很容易地建造许多东西。虽然要花几个小时才能完成打印,但这是值得等待的。

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