3D打印高導(dǎo)電固體聚合物電解質(zhì)，為儲(chǔ)能材料設(shè)計(jì)提供新選項(xiàng)

2022年9月19日，南極熊獲悉，新南威爾士大學(xué)悉尼分校的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的3D打印方法，可以將強(qiáng)大的高導(dǎo)電固體聚合物電解質(zhì)打印成定制的形狀，以用于能源儲(chǔ)存。

△研究人員用一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的3D打印機(jī)制作了一幅由固體聚合物電解質(zhì)制成的復(fù)雜的澳大利亞地圖，然后將其作為儲(chǔ)能裝置進(jìn)行了測(cè)試。照片來(lái)自Nathaniel Corrigan博士

這項(xiàng)研究由Cyrille Boyer教授帶領(lǐng)的化學(xué)工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)完成，包括Nathaniel Corrigan博士和Kenny Lee，他們表示這種材料的3D打印過(guò)程在未來(lái)的醫(yī)療設(shè)備中可能特別有用，因?yàn)樾⌒偷�、設(shè)計(jì)復(fù)雜的能量存儲(chǔ)提供了許多好處。

固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，盡管傳統(tǒng)上它們由于離子導(dǎo)電率低或機(jī)械性能差而導(dǎo)致性能不佳。然而，在Kenny Lee等人發(fā)表于《先進(jìn)材料》的一篇題為“3D PrintingNanostructured Solid Polymer Electrolytes with High Modulus and Conductivity”論文中報(bào)告說(shuō)，他們3D打印出的固體聚合物電解質(zhì)（SPE）具有高導(dǎo)電性，以及很高的強(qiáng)度。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202204816

這意味著固態(tài)電解質(zhì)有可能被用作設(shè)備的實(shí)際結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出一系列可以想象的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)，特別是對(duì)于未來(lái)的醫(yī)療產(chǎn)品。

Kenny Lee說(shuō)："以前沒(méi)有人3D打印過(guò)固體聚合物電解質(zhì)。傳統(tǒng)上，它們是用模具制造的，但這些傳統(tǒng)工藝不具備提供控制材料強(qiáng)度或成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力。對(duì)于現(xiàn)有的固態(tài)電解質(zhì)，當(dāng)你增加材料的機(jī)械強(qiáng)度時(shí)，你會(huì)犧牲很多的導(dǎo)電性。如果你想要更高的導(dǎo)電性，材料的堅(jiān)固性就會(huì)大打折扣。我們所實(shí)現(xiàn)的是兩者的同時(shí)結(jié)合，它可以被3D打印成復(fù)雜的幾何形狀。這種聚合物電解質(zhì)有可能成為一種承重的儲(chǔ)能材料。由于它的強(qiáng)度，它可以被用作小型電子產(chǎn)品的實(shí)際結(jié)構(gòu)，或在航空應(yīng)用中，或在小型個(gè)人醫(yī)療設(shè)備中，因?yàn)槲覀兊?D打印過(guò)程可以非常復(fù)雜和精確。我們可以用我們正在使用的那種系統(tǒng)創(chuàng)建真正的微小結(jié)構(gòu)。因此，它在納米技術(shù)和任何你需要在微觀層面上設(shè)計(jì)能量存儲(chǔ)的地方都有奇妙的應(yīng)用。"

△使用 SPE(50,30) 樹(shù)脂3D打印的立方螺旋晶格復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)

增加循環(huán)穩(wěn)定性

盡管新南威爾士大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的固體聚合物電解質(zhì)被認(rèn)為是一種高性能的材料，但研究人員說(shuō)，它可以使用廉價(jià)和市面上的3D打印機(jī)制造，而不是復(fù)雜的工程設(shè)備。

論文中描述的SPE由嵌入剛性交聯(lián)聚合物基體中的納米級(jí)離子傳導(dǎo)通道組成。它是通過(guò)一個(gè)被稱(chēng)為聚合誘導(dǎo)微相分離（PIMS）的過(guò)程產(chǎn)生的。

△photo-RAFT PIMS 流程概述。

為了展示該材料的多功能性，研究人員3D打印了一幅復(fù)雜的澳大利亞地圖，然后將其作為儲(chǔ)能裝置進(jìn)行了測(cè)試。

△在功能性超級(jí)電容器中展示 3D 打印功能和直接應(yīng)用。

Corrigan博士說(shuō)："這種SPE在儲(chǔ)能設(shè)備中的其他好處之一是它增加了循環(huán)穩(wěn)定性--也就是在其容量減少到一定程度之前的充電和放電循環(huán)次數(shù)。在我們的論文中，我們表明這種材料非常穩(wěn)定，有能力在數(shù)千個(gè)循環(huán)中進(jìn)行充電和放電。在3000次循環(huán)之后，大約只有10%的下降。"

△新南威爾士大學(xué)的研究人員Nathaniel Corrigan博士在實(shí)驗(yàn)室里使用3D打印機(jī)工作。照片來(lái)自Corrigan博士

研究人員還表示，與其他傳統(tǒng)的制造形式相比，3D打印也減少了浪費(fèi)，并降低了成本，因?yàn)橥�一臺(tái)機(jī)器可以用來(lái)生產(chǎn)各種不同形狀的材料。在未來(lái)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可以利用他們的SPE來(lái)創(chuàng)造具有更高的能量?jī)?chǔ)存密度的物品。

提起這項(xiàng)研究工作，Boyer教授總結(jié)說(shuō)："想象一下，這種儲(chǔ)能材料不僅能夠制成耳塞，同時(shí)也充當(dāng)了電池。存儲(chǔ)密度將提高很多，因此電力將持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。我們真的希望能夠在商業(yè)化方面取得進(jìn)展，因?yàn)槲覀円呀?jīng)創(chuàng)造了一些真正令人難以置信的材料和工藝。"