Fabricación aditiva, también conocida como impresión 3-D, se puede utilizar para fabricar electrodos porosos para baterías de iones de litio, pero debido a la naturaleza del proceso de fabricación, el diseño de estos electrodos impresos en 3-D se limita a unas pocas arquitecturas posibles. Hasta ahora, la geometría interna que produjo los mejores electrodos porosos a través de la fabricación aditiva fue lo que se conoce como una geometría interdigitada:puntas de metal entrelazadas como los dedos de dos manos entrelazadas, con el litio viajando entre los dos lados.

La capacidad de la batería de iones de litio se puede mejorar enormemente si, en la microescala, sus electrodos tienen poros y canales. Una geometría interdigitada, aunque permite que el litio se transporte a través de la batería de manera eficiente durante la carga y descarga, no es óptimo.

Rahul Panat, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad Carnegie Mellon, y un equipo de investigadores de Carnegie Mellon, en colaboración con la Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri, han desarrollado un método nuevo y revolucionario de electrodos de batería de impresión 3D que crea una estructura de microrejilla 3D con porosidad controlada. Impresión en 3D de esta estructura de microrejilla, los investigadores muestran en un artículo publicado en la revista Fabricación aditiva , mejora enormemente la capacidad y las tasas de carga y descarga de las baterías de iones de litio.

"En el caso de las baterías de iones de litio, los electrodos con arquitecturas porosas pueden conducir a mayores capacidades de carga, "dice Panat." Esto se debe a que tales arquitecturas permiten que el litio penetre a través del volumen del electrodo, lo que lleva a una utilización muy alta del electrodo, y por tanto mayor capacidad de almacenamiento de energía. En baterías normales, 30-50% del volumen total del electrodo no se utiliza. Nuestro método supera este problema mediante el uso de la impresión 3-D donde creamos una arquitectura de electrodo de microrejilla que permite el transporte eficiente de litio a través de todo el electrodo, lo que también aumenta las tasas de carga de la batería ".

El método de fabricación aditiva presentado en el artículo de Panat representa un gran avance en la impresión de geometrías complejas para arquitecturas de baterías 3-D. así como un paso importante hacia la optimización geométrica de las configuraciones 3-D para el almacenamiento de energía electroquímica. Los investigadores estiman que esta tecnología estará lista para traducirse en aplicaciones industriales en unos 2-3 años.

Se demostró que la estructura de microrejilla (Ag) utilizada como electrodos de baterías de iones de litio mejora el rendimiento de la batería de varias maneras, como un aumento de cuatro veces en la capacidad específica y un aumento de dos veces en la capacidad de área en comparación con un electrodo de bloque sólido (Ag). Es más, los electrodos retuvieron sus complejas estructuras reticulares tridimensionales después de cuarenta ciclos electroquímicos demostrando su robustez mecánica. Por lo tanto, las baterías pueden tener una gran capacidad para el mismo peso o alternativamente, para la misma capacidad, un peso muy reducido, que es un atributo importante para las aplicaciones de transporte.

Los investigadores de Carnegie Mellon desarrollaron su propio método de impresión 3-D para crear las arquitecturas de microredes porosas mientras aprovechaban las capacidades existentes de un sistema de impresión Aerosol Jet 3-D. El sistema Aerosol Jet también permite a los investigadores imprimir sensores planos y otros componentes electrónicos a microescala, que se implementó en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Carnegie Mellon a principios de este año.

Hasta ahora, Los esfuerzos de la batería impresa en 3-D se limitaron a la impresión basada en extrusión, donde se saca un alambre de material de una boquilla, creando estructuras continuas. Las estructuras interdigitadas fueron posibles usando este método. Con el método desarrollado en el laboratorio de Panat, los investigadores pueden imprimir en 3D los electrodos de la batería ensamblando rápidamente gotas individuales una por una en estructuras tridimensionales. Las estructuras resultantes tienen geometrías complejas imposibles de fabricar utilizando métodos típicos de extrusión.

"Debido a que estas gotas están separadas entre sí, podemos crear estas nuevas geometrías complejas, "dice Panat." Si se tratara de un solo flujo de material, como en el caso de la impresión por extrusión, no podríamos hacerlos. Esto es algo nuevo. No creo que nadie hasta ahora haya utilizado la impresión 3D para crear este tipo de estructuras complejas ".

Este método revolucionario será muy importante para la electrónica de consumo, industria de dispositivos médicos, así como aplicaciones aeroespaciales. Esta investigación se integrará bien con los dispositivos electrónicos biomédicos, donde se requieren baterías miniaturizadas. Los microdispositivos electrónicos no biológicos también se beneficiarán de este trabajo. Y a mayor escala dispositivos electrónicos, pequeños drones, y las propias aplicaciones aeroespaciales también pueden utilizar esta tecnología, debido al bajo peso y alta capacidad de las baterías impresas con este método.

El equipo, que también incluye el doctorado en ingeniería mecánica. el estudiante Mohammad Sadeq Saleh y el investigador postdoctoral Jie Li (Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri), también está trabajando en la creación de estructuras tridimensionales más complejas, que se pueden utilizar simultáneamente como materiales estructurales y como materiales funcionales. Por ejemplo, una parte de un dron puede actuar como un ala, un material estructural, al mismo tiempo que actúa como un material funcional como una batería.