3D打印高导电固体聚合物电解质,为储能材料设计提供新选项-金属3D打印工厂

3D打印高导电固体聚合物电解质,为储能材料设计提供新选项-金属3D打印工厂插图

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2022年9月19日,新南威尔士大学悉尼分校的一个团队已经开发出一种新的3D打印方法,可以将强大的高导电固体聚合物电解质打印成定制的形状,以用于能源储存。

3D打印高导电固体聚合物电解质,为储能材料设计提供新选项

研究人员用一台标准3D打印机制作了一幅由固体聚合物电解质制成的复杂的澳大利亚地图,然后将其作为储能装置进行了测试。照片来自Nathaniel Corrigan博士        这项研究由Cyrille Boyer教授带领的化学工程学院的研究团队完成,包括Nathaniel Corrigan博士和Kenny Lee,他们表示这种材料的3D打印过程在未来的医疗设备中可能特别有用,因为小型的、设计复杂的能量存储提供了许多好处。固态电解质是固态电池的一个关键组成部分,尽管传统上它们由于离子导电率低或机械性能差而导致性能不佳。然而,在Kenny Lee等人发表于《先进材料》的一篇题为“3D PrintingNanostructured Solid Polymer Electrolytes with High Modulus and Conductivity”论文中报告说,他们3D打印出的固体聚合物电解质(SPE)具有高导电性,以及很高的强度。

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相关论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202204816

这意味着固态电解质有可能被用作设备的实际结构,创造出一系列可以想象的设计机会,特别是对于未来的医疗产品。

Kenny Lee说:”以前没有人3D打印过固体聚合物电解质。传统上,它们是用模具制造的,但这些传统工艺不具备提供控制材料强度或成形复杂结构的能力。对于现有的固态电解质,当你增加材料的机械强度时,你会牺牲很多的导电性。如果你想要更高的导电性,材料的坚固性就会大打折扣。我们所实现的是两者的同时结合,它可以被3D打印成复杂的几何形状。这种聚合物电解质有可能成为一种承重的储能材料。由于它的强度,它可以被用作小型电子产品的实际结构,或在航空应用中,或在小型个人医疗设备中,因为我们的3D打印过程可以非常复杂和精确。我们可以用我们正在使用的那种系统创建真正的微小结构。因此,它在纳米技术和任何你需要在微观层面上设计能量存储的地方都有奇妙的应用。”

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使用 SPE(50,30) 树脂3D打印的立方螺旋晶格复杂几何结构

增加循环稳定性

尽管新南威尔士大学团队开发的固体聚合物电解质被认为是一种高性能的材料,但研究人员说,它可以使用廉价和市面上的3D打印机制造,而不是复杂的工程设备。

论文中描述的SPE由嵌入刚性交联聚合物基体中的纳米级离子传导通道组成。它是通过一个被称为聚合诱导微相分离(PIMS)的过程产生的。

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photo-RAFT PIMS 流程概述。

为了展示该材料的多功能性,研究人员3D打印了一幅复杂的澳大利亚地图,然后将其作为储能装置进行了测试。

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在功能性超级电容器中展示 3D 打印功能和直接应用。

Corrigan博士说:”这种SPE在储能设备中的其他好处之一是它增加了循环稳定性–也就是在其容量减少到一定程度之前的充电和放电循环次数。在我们的论文中,我们表明这种材料非常稳定,有能力在数千个循环中进行充电和放电。在3000次循环之后,大约只有10%的下降。”

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新南威尔士大学的研究人员Nathaniel Corrigan博士在实验室里使用3D打印机工作。照片来自Corrigan博士

研究人员还表示,与其他传统的制造形式相比,3D打印也减少了浪费,并降低了成本,因为同一台机器可以用来生产各种不同形状的材料。在未来,产品设计师可以利用他们的SPE来创造具有更高的能量储存密度的物品。

提起这项研究工作,Boyer教授总结说:”想象一下,这种储能材料不仅能够制成耳塞,同时也充当了电池。存储密度将提高很多,因此电力将持续更长时间。我们真的希望能够在商业化方面取得进展,因为我们已经创造了一些真正令人难以置信的材料和工艺。”

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