據(jù)研究第一作者、美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-尚佩恩分校在讀博士生Ke Sun(孫苛)介紹,大約10年前美國科學(xué)家提出3D微電池的概念,過去的制備方法都基于較為成熟的微電子技術(shù)以及新興微加工技術(shù),不僅成本較高,而且迄今沒有獲得理想的成果;他們則轉(zhuǎn)而采用方興未艾的3D打印技術(shù)。
3D打印是一種快速成型技術(shù),它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料,通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。
孫苛說,這項(xiàng)研究的一大難點(diǎn)在于制造用于打印的材料,即“墨水”。3D打印機(jī)的直徑只有30微米,和一根頭發(fā)絲的直徑差不多,這要求“墨水”具有特殊的流變學(xué)性質(zhì)。一個(gè)形象的比喻就是要求“墨水”像牙膏一樣能在擠壓中流動(dòng),從而從針管中流出,并能在空氣中迅速穩(wěn)定凝固成型。
“墨水”的主要成分必須是可作為電極使用的活性材料。為了打印微電極,他們開發(fā)并測(cè)試了幾種特殊的“墨水”,能像電化材料那樣,形成工作陽極和陰極,而且能像牙膏一樣擠出,打印完成后硬化成像薄膜一樣的薄層。他們用一種金屬鋰氧化物納米粒子制造了陽極墨水,用另一種材料制造了陰極墨水,形成一種微小的、陽極和陰極緊密交錯(cuò)的多層堆疊結(jié)構(gòu),每層厚度比發(fā)絲還細(xì)。之后,把這些電極裝在微小容器中,充入電解液就完成了。
經(jīng)過多次嘗試,研究人員最終通過膠體化學(xué)方法成功將磷酸鐵鋰和鈦酸鋰兩種材料分別做成“墨水”,用作電池的正極和負(fù)極。然后,他們利用3D打印技術(shù)打印出梳子狀的正極和負(fù)極并將它們交錯(cuò)排列成一層,再層層堆積獲得寬度只有40微米、而高度是寬度11倍的電極。研究人員還對(duì)微電池存儲(chǔ)和釋放的電量、充電時(shí)間進(jìn)行了檢測(cè)。“在充放電率、循環(huán)壽命和電流強(qiáng)度方面,它們的電化性能可以和商用蓄電池媲美。我們只是把它縮小到了更小級(jí)別。
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