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3D-Druckvorbereitung von Graphitschaum

Um effiziente Energiespeicher zu realisieren, wird der 3D-Druck im elektrochemischen Bereich weit verbreitet eingesetzt. Vor kurzem haben die neuen Ergebnisse der Zusammenarbeit zwischen dem Team der Northwestern Polytechnical University und dem Additive Manufacturing Laboratory der National University of Singapore die Branche inspiriert.

Das gemeinsame Team nutzte Digital Light Processing (DLP) und Chemical Vapour Deposition (CVD), zwei moderne Industrietechnologien, um einen einzigartigen 3D-Hohlgraphitschaum (HGF) zu entwickeln, der eine periodische poröse Struktur und gute mechanische Eigenschaften aufweist, und es gelang ihm die hohe mechanische Festigkeit und ultrahohe Aktivmaterial-Belastbarkeit der Elektrode werden realisiert. Das Ergebnispapier wurde auf „Research“ veröffentlicht.

„Dieser Erfolg bietet nicht nur eine neue Methode zur Herstellung von Elektrodenmaterialien mit ausgezeichneter mechanischer Festigkeit und elektrochemischen Eigenschaften, sondern eröffnet auch einen neuen Weg für die großtechnische Anwendung fortschrittlicher Energiespeichergeräte.“ Der korrespondierende Autor des Papiers, die Chinesische Akademie der Wissenschaften, Huang Wei, ein Akademiker und leitender Wissenschaftler des Flexible Electronics Frontier Science Center der Northwestern Polytechnical University, sagte der China Science Daily.

Plötzliches Auftauchen

Mit der rasanten Entwicklung der Gesellschaft steigt der Energiebedarf der Menschen in der Hoffnung, eine erneuerbare grüne Energie zu finden. Der 3D-Druck kann ein schnelles Prototyping und relativ niedrige Kosten ermöglichen, sodass er große Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat. In den letzten Jahren wurde intensiv mit dem 3D-Druck geforscht, um Elektroden/Geräte zur elektrochemischen Energieumwandlung und -speicherung herzustellen. Experten haben auf diesem Gebiet beachtliche Fortschritte gemacht, aber es gibt noch viele Herausforderungen und Unzulänglichkeiten, die gelöst werden müssen. Seit 2018 engagiert sich das Team der Northwestern Polytechnical University für die Entwicklung neuer 3D-gedruckter Elektroden mit höherer Präzision und einzigartigem strukturellem Design.

„Seit seiner Gründung kämpft das Team darum, die Anpassung und Industrialisierung von Hochleistungselektroden durch die 3D-Drucktechnologie zu erreichen. Durch die Auswahl verschiedener Drucktechnologien, Strukturdesigns und Druckmaterialien, um eine diversifizierte Anpassung der Elektrodenmaterialien zu erreichen.“ Laut Guan Cao, dem korrespondierenden Autor des Papiers und Professor am Institute of Flexible Electronics der Northwestern Polytechnical University.

Da 3D-Druckelektroden eine höhere Ladekapazität für aktives Material bieten können, um eine höhere Energiedichte und Leistungsdichte zu erreichen, wird die 3D-Drucktechnologie im Bereich der Energiespeicherung, einschließlich Metallionenbatterien, Metallluftbatterien und Superkondensatoren, derzeit immer heißer.

3D-Druckvorbereitung von Graphitschaum

Die 3D-Drucktechnologie umfasst Fused Deposition Modeling (FDM), Tintenstrahldruck (Ink Jetting), selektives Laserschmelzen (SLM) und Stereolithographie (SLA) usw.

Elektrode ist eine Komponente, die Strom in ein leitfähiges Medium eingibt oder zieht. Seit vielen Jahren haben Wissenschaftler ihre Zusammensetzung und die chemische Reaktion, die sie erzeugt, kontinuierlich angepasst, um eine bessere Batterieleistung zu erzielen. Zu den üblicherweise verwendeten Elektrodenmaterialien gehören Metalle, Metalloxide, Metallcarbide, Metallsulfide, Materialien auf Kohlenstoffbasis, leitfähige Polymere, metallorganische Gerüstmaterialien (MOFs) und deren Verbundmaterialien.

Unter ihnen sind kohlenstoffbasierte Materialien wie Graphen und Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) eines der am häufigsten verwendeten Elektrodenmaterialien für flexible transparente leitfähige Elektroden (FTCEs) mit hervorragenden elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften. Hochwertiges Graphen wird aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit, starken mechanischen Flexibilität, hohen optischen Transparenz und guten chemischen Stabilität häufig bei der Herstellung von FTCEs verwendet.

Professor Ding Jun, einer der Autoren dieses Artikels und Teamleiter der National University of Singapore, sagte jedoch, dass die aktuelle Erforschung der praktischen Anwendung der 3D-Drucktechnologie noch gewisse Grenzen hat.

Mechanische Stabilität überwältigt alles

Derzeit gibt es zwei Hauptmethoden zur Herstellung von Dünnschichtelektroden durch die 3D-Drucktechnologie: Extrusion und Inkjet. Obwohl die Arbeitsprinzipien der beiden Verfahren relativ ähnlich sind, unterscheiden sich die Eigenschaften der verwendeten Tinte erheblich. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach dem Bau von dreidimensionalen Elektroden erfolgt die Herstellung von 3D-Druck-Graphen/Graphit-Elektrodenmaterialien meist im Direct Writing Ink-Druckverfahren (Extrusionstyp).

Da die Auflösung dieser Technologie gering ist und in der Regel größer als 200μm ist, kann sie nur einige einfache 3D-Strukturen wie Raster und interdigitale Strukturen realisieren, was ihre Anwendung einschränkt. Darüber hinaus sind die mechanischen Eigenschaften dieses 3D-Carbon-Materials auch für Verpackung und Transport unverzichtbar, aber bisherige Studien haben wenig beachtet.

Welche Art von Elektrode ist vielversprechender und kann hervorragende mechanische und elektrochemische Eigenschaften mitbringen?

„Die Entwicklung eines neuartigen 3D-gedruckten Elektrodentyps mit höherer Präzision und einzigartigem Strukturdesign wird sehr vielversprechend sein.“ sagte Guan Cao. Mit Hilfe von DLP und CVD entwarf das Team ein leichtes HGF mit einfacher Struktur und guter Porosität. „Finite-Elemente-Berechnungen und Kompressionstests haben bewiesen, dass das poröse HGF mit poröser Struktur des rotierenden Körpers Strukturversagen aufgrund von Spannungskonzentrationen wirksam verhindern kann und so die Stabilität der Maschine aufrechterhält.“ Guan Cao sagte, die Stabilität der Maschine sei überwältigend.

Der Graphitschaum ist außerdem mit MnO2-Nanosheets beschichtet, die ohne zusätzliche Bindemittel und Stromkollektoren direkt als Elektrodenmaterial für Superkondensatoren verwendet werden können. Dank seiner einzigartigen hohlen porösen Struktur kann es nicht nur hochwertige Beladungen mit Aktivmaterialien erreichen, sondern verfügt auch über eine signifikant hohe Flächen- und Volumenkapazität.

Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse bestätigten, dass die vorgefertigte spiralförmige poröse Struktur einen einheitlichen Spannungsbereich bereitstellen und den durch Spannungskonzentrationen verursachten potenziellen strukturellen Versagenstrend reduzieren kann. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass der hergestellte Graphitschaum eine hohe mechanische Festigkeit bei geringerer Materialdichte erreichen kann. Wenn die Graphitschaumoberfläche mit einer ultrahohen MnO2-Beladung bedeckt ist, kann MnO2/HGF gleichzeitig eine hohe Flächen-, Volumen- und Massenkapazität erreichen.

Darüber hinaus zeigen die aufgebauten quasi-festen asymmetrischen Superkondensatoren auch hervorragende mechanische und elektrochemische Eigenschaften. Diese Strategie dreidimensionaler poröser und fester Materialien mit guten mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften wird den Weg für die praktische Anwendung fortschrittlicher Energiespeicher ebnen.

Zukunft und Erwartungen

Über zukünftige wissenschaftliche Forschungspläne sagte Huang Wei: „In Zukunft werden wir uns weiterhin mit dem Thema Forschung und Entwicklung der multifunktionalen Elektroden-3D-Drucktechnologie, der Entwicklung geeigneter 3D-Druckmaterialsysteme und der Realisierung des einstufigen Drucks von Energiespeicher.“

„Unser oberstes Ziel ist es, die am besten geeigneten Druckprozessparameter und strukturellen Parameter zu diskutieren, die Entwicklung der Energiespeichertechnologie und -industrie zu fördern und die Industrialisierung und Industrialisierung neuer Energiespeicher zu realisieren.“ Das führte Huang Wei weiter in die Elektrodenmaterialherstellung ein. Gleichzeitig wird die Entwicklung von Energiespeichern mit hoher spezifischer Kapazität und hoher spezifischer Leistung immer anspruchsvoller. Gleichzeitig können kostengünstige und einfache Herstellungsverfahren auch Herstellern von 3D-gedruckten Batterien helfen, sich am Markt zu behaupten. “

Es besteht kein Zweifel, dass industrienahe, robuste Metallelektroden für die meisten Prototypen immer noch das Material der Wahl sind. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden zeigen einige 3D-gedruckte Prototypgeräte eine vergleichbare oder bessere Leistung, von einzigartigen Elektrodenstrukturen (z. B. Oberflächenporosität und -rauheit) bis hin zu elektrochemischen Zelldesigns in Bezug auf Druckfähigkeiten.

Die Unterschiede zwischen verschiedenen Arten von 3D-gedruckten Elektroden und Geräten mit unterschiedlichen Drucktechnologien wurden jedoch nicht systematisch untersucht, und es gibt noch eine große Wissenslücke in diesem Bereich. Ebenso sind die aktuellen Vergleichsdaten zu traditionellen Systemen und industriellen Systemen sehr begrenzt.

Beamte glauben, dass die Fertigungstechnologie mit der Entwicklungsstrategie „Made in China 2025“ meines Landes eine enorme historische Chance für Aufrüstung und Aufrüstung haben wird. Die 3D-Drucktechnologie ist eine effektive Ergänzung zur traditionellen Verarbeitungstechnologie und eine bahnbrechende strategische Technologie. Gegenwärtig nehmen die Errungenschaften der 3D-Drucktechnologie im Bereich der Energiespeicherung Gestalt an, und in der 3D-Drucktechnologie werden kontinuierlich eine Vielzahl von Drucktechnologien und Materialien verwendet, die Chancen für die Entwicklung der 3D-Drucktechnologie in der Bereich der Energiespeicherung. „Es wird angenommen, dass mit der kontinuierlichen Entwicklung von Drucktechnologien und -materialien 3D-gedruckte Batterien mit guter Haltbarkeit, ausgezeichneter Sicherheit und höherer Energie- und Leistungsdichte in Zukunft in mehr Bereichen eingesetzt werden.“ Scheiße, sagte.

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