近日，美國一項(xiàng)研究利用3D打印技術(shù)成功制成只有沙粒大小的3D微電池，而電化性能可媲美商用蓄電池。這樣打印出的電極既保證了儲(chǔ)能材料的數(shù)量，又讓正極和負(fù)極之間的距離足夠短，因此封裝制成的3D微電池具有快速充放電能力，其面積能量密度和功率密度在目前3D微電池領(lǐng)域居于前列。而墨水為LFP和LTO。這種電池將來有望用于為微米乃至納米器件提供能量。
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。研究人員還對微電池存儲(chǔ)和釋放的電量、充電時(shí)間進(jìn)行了檢測。“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別。
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