Khoa học kỹ thuật và công nghệ

In 3D dùng cho thế hệ tiếp theo của pin (21/08/2018)

In 3D có thể được sử dụng để sản xuất các điện cực cho pin lithium-ion - nhưng vì bản chất của quá trình sản xuất, thiết kế của các điện cực in 3D này bị giới hạn ở một vài cấu trúc nhất định. Cho đến nay thông qua việc in 3D, cấu trúc bền vững nhất bên trong của các điện cực xốp là một hình xen kẽ - các ngạnh kim loại đan xen nhau như các ngón tay của hai bàn tay siết chặt.

 Kiến trúc mạng có thể cung cấp các kênh để vận chuyển hiệu quả chất điện phân bên trong khối vật liệu, trong khi đối với điện cực khối lập phương, hầu hết vật liệu sẽ không được tiếp xúc với chất điện phân. Hình ảnh mặt cắt ngang cho thấy lưới bạc cho phép vận chuyển ion dương tới bộ thu dòng điện và phần lớn vật liệu in đã được sử dụng như thế nào. Ảnh: Rahul Panat, Carnegie Mellon (UCE).

Dung lượng pin lithium-ion có thể được cải thiện đáng kể nếu điện cực của chúng có thêm các lỗ nhỏ và các kênh. Một cấu trúc hình học xen kẽ không phải là tối ưu, mặc dù nó cho phép lithium vận chuyển qua pin hiệu quả trong quá trình sạc và xả. 

Rahul Panat, một giáo sư kỹ sư cơ khí tại Đại học Carnegie Mellon, và một nhóm các nhà nghiên cứu từ Carnegie Mellon phối hợp với Đại học Khoa học và Công nghệ Missouri đã phát triển một phương pháp mới về các điện cực pin in 3-D, tạo ra một cấu trúc 3-D mạng siêu nhỏ với độ xốp kiểm soát. Cấu trúc 3-D mạng siêu nhỏ này có thể cải thiện đáng kể công suất và tỷ lệ xả điện cho pin lithium-ion. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra trong một bài báo được công bố trên tạp chí Additive Manufacturing.

Đối với pin lithium-ion, các điện cực có kiến trúc xốp có khả năng sạc cao hơn. Cấu trúc như vậy cho phép lithium thâm nhập qua khối điện cực dẫn đến tối ưu hóa việc sử dụng điện cực, và do đó có khả năng lưu trữ năng lượng cao hơn. Trong pin bình thường, 30-50% tổng lượng điện cực chưa được sử dụng. Bằng cách sử dụng in 3D, các nhà khoa học có thể tạo ra một kiến trúc điện cực mạng siêu nhỏ cho phép vận chuyển hiệu quả lithium qua toàn bộ điện cực, điều này cũng làm tăng tốc độ sạc pin. 

“Phương pháp sản xuất thêm vào” được trình bày trong bài này thể hiện tiến bộ lớn trong việc in 3-D hình học phức tạp. Các nhà nghiên cứu ước tính rằng công nghệ này sẽ sẵn sàng cho các ứng dụng công nghiệp trong khoảng 2-3 năm tới.

Cấu trúc mạng siêu nhỏ microlattice (Ag) được sử dụng như điện cực của pin lithium-ion có thể cải thiện hiệu suất hoạt động của pin theo nhiều cách như tăng gấp 4 lần công suất riêng và tăng gấp đôi dung lượng khi so sánh với điện cực khối (Ag). Hơn nữa, các điện cực giữ lại cấu trúc lưới 3D phức tạp của chúng sau 40 chu kỳ điện hóa, điều này thể hiện độ bền cơ học của chúng. Do đó, pin có dung lượng lớn cho cùng một trọng lượng, với cùng công suất, trọng lượng giảm đáng kể - đây là một thuộc tính quan trọng để ứng dụng vào ngành giao thông. 

Các nhà nghiên cứu đã phát triển phương pháp in 3-D của riêng mình để tạo ra các kiến trúc vi mô xốp trong khi tận dụng khả năng hiện tại của hệ thống in phun Aerosol Jet 3-D. Hệ thống Aerosol Jet cũng cho phép các nhà nghiên cứu in các cảm biến phẳng và các thiết bị điện tử khác trên quy mô nhỏ, được triển khai tại Đại học Kỹ thuật Carnegie Mellon vào đầu năm nay.

Cho đến nay, các nỗ lực sản xuất pin in 3-D được giới hạn trong in ấn dựa trên phương pháp đùn và đắp, trong đó một sợi vật liệu được ép đùn từ vòi phun, tạo ra các cấu trúc liên tục. Cấu trúc mạng có thể sử dụng phương pháp này. Với phương pháp in mới, các nhà nghiên cứu có thể in 3-D điện cực pin bằng cách nhanh chóng kết hợp từng giọt mực in một thành một cấu trúc ba chiều. Kết quả cho ra các cấu trúc hình học phức tạp không thể chế tạo bằng cách sử dụng các phương pháp đùn điển hình. Bởi vì những giọt tách biệt nhau, cho nên có thể tạo ra những hình dạng phức tạp mới. 

Phương pháp mang tính cách mạng này sẽ rất quan trọng đối với các thiết bị điện tử tiêu dùng, công nghiệp thiết bị y tế, cũng như các ứng dụng hàng không vũ trụ. Nghiên cứu này sẽ tích hợp tốt với các thiết bị điện tử y sinh học, nơi cần có pin thu nhỏ. Các thiết bị vi điện tử phi sinh học cũng sẽ được hưởng lợi từ công việc này. Và trên quy mô lớn hơn, các thiết bị điện tử, máy bay nhỏ và các ứng dụng hàng không vũ trụ cũng có thể sử dụng công nghệ này, do trọng lượng thấp và dung lượng cao của pin được in bằng phương pháp này. 

Nguồn: Đ.T.N (NASATI)/www.vista.gov.vn

Cập nhật: 17/8/2018