鋰電池也能 3D 列印,研發產品無需再顧及電池大小與形狀

作者 | 發布日期 2018 年 10 月 24 日 7:45 | 分類 3D列印 , 電池 follow us in feedly

鋰離子電池為應用範圍數一數二廣的儲能技術,大多電動車與 3C 設備都運用鋰電池來驅動,只不過目前產品設計都環繞著電池的尺寸、形狀與重量發展,若要開發大型或是更輕便的設備,還是得取決於電池大小。美國杜克大學對此提出一項解決方案,有望利用 3D 列印技術來製造任何形狀的電池。



市面的鋰離子電池都有固定形狀,像是電動車採用的 18650 就是圓柱形,手機電池多是方形設計。當製造商設計產品時,得先為電池留出空間,這就會限制設計師的想像了。

為了解決問題,不少機構開始將目光瞄準號稱「什麼都可以印」的 3D 列印技術。照理來說該技術可以打造出任何形狀的物體,電池、結構與電子元件都可以一機搞定,然而 3D 列印使用的聚合物聚乳酸(PLA)並非離子導體,不具導電性,鋰離子電池的電流技術難以用於列印技術。

因此杜克大學提出一項解決方案,在聚乳酸裡注入乙基碳酸甲酯、碳酸丙烯酯和過氯酸鋰混合物,有望提升離子導電率,且團隊也在陰極、陽極添入石墨烯或多層壁奈米碳管,這樣一來電池的導電率也可進一步提高。

雖然這些化學名詞聽起來很複雜,但團隊指出,該技術可用低成本且廣泛使用的 3D 列印技術達成,利用熔絲製造技術(fused filament fabrication,FFF)就可以完完整整地將鋰離子電池列印成任何形狀與尺寸。

團隊也用此方法 3D 列印搭載鋰離子電池的 LED 手環,其中鋰電池可為手環的綠光 LED 提供 60 秒電力。研究員表示,初代 3D 列印電池的容量數量級還是比商用電池低,沒辦法跨越商業門檻,未來團隊將嘗試採用可印刷的漿料來取代聚乳酸。

杜克大學也不是唯一一個想到運用 3D 列印製造電池的機構,美國卡內基美隆大學也如火如荼開發 3D 列印電池技術,並認為他們的電極擁有多孔和通道優勢,可大幅提升鋰離子電池的容量。卡內基美隆大學機械工程副教授 Rahul Panat 表示,多孔結構能讓大量鋰離子穿透電極,有助於提升電極的使用率與電池儲存容量。

目前該團隊正在使用微晶格(microlattice)結構來提升電池容量和充放電速度,並利用美國 Optomec 的 Aerosol Jet 氣溶膠噴射 3D 噴印技術來列印電池,除了可印出電阻器、電容、天線、感測器與薄膜電晶體等零件,還可以輕鬆調整數值,像是可以用印刷參數調整電阻器的歐姆數值,組件也可印刷到 3D 表面,不需要再建立獨立基板,有望降低最終產品的尺寸、厚度與重量。

若這些技術順利走出實驗室、跨越商業化門檻,3D 電池列印技術將可在消費性電子產品、醫療與航太領域大放異彩,未來若要開發小型、輕便且可撓的穿戴式電子設備,就無須再煩憂電池的大小與形狀。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:美國化學學會