Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) в США недавно разработали конструкцию 3D-печатных электродов для электрохимических накопителей энергии, успешно разрешив противоречие между высокой емкостью и высокой мощностью в таких устройствах. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале «Materials Horizons».
Традиционные толстые электроды, хотя и способны вместить больше активного материала и увеличить емкость накопителя, препятствуют перемещению ионов между анодом и катодом, что приводит к снижению скорости зарядки. «В традиционной пластинчатой конструкции значительная часть материала батареи используется не полностью, поскольку ионы не могут эффективно достигать глубоких областей, что создает мертвые зоны и концентрированные резистивные потери вблизи границ раздела», — пояснила Джованна Буччи, научный сотрудник отдела вычислительной инженерии LLNL и соавтор статьи.
Исследовательская группа сместила фокус с химического состава материалов на структурные инновации и, объединив оптимизацию вычислительного дизайна с технологией 3D-печати, создала сложную взаимозацепляющуюся трехмерную структуру электрода. Такая конструкция максимизирует площадь поверхности, обеспечивая ионам короткие и удобные пути по всей структуре. Соавтор статьи, научный сотрудник CED Ли Ханьюй, отметил: «Компьютер может генерировать геометрические формы, которые трудно интуитивно понять, опираясь лишь на опыт, но эти формы напрямую связаны с физическими пределами устройства. Это помогает нам понять, почему одни геометрические особенности хороши и как различные геометрические формы подходят для разных сценариев применения».
На этапе производства команда использовала технологию многоматериальной микростереолитографии и специальные смолы, чтобы за два шага напечатать 4-миллиметровые встречно-штыревые электроды: сначала был напечатан пористый слой основы из оксида графена для улучшения ионной интеграции, а затем нанесен поверхностный слой золота для повышения электронной проводимости. Эта структура «взаимозацепляющихся пальцев» устраняет мертвые зоны, предоставляя множество каналов для входа и выхода ионов и электронов. Научный сотрудник CED Томас Рой отметил: «Это исследование рассматривает структуру электрода как фактор производительности, столь же важный, как и сам материал. Оптимизированная взаимопроникающая трехмерная компоновка создает множество доступных каналов для ионов, а интегрированная проводящая сеть поддерживает транспорт электронов внутри структуры».
Оптимизированный сверхтолстый электрод толщиной 5,8 мм в ходе испытаний продемонстрировал удвоенную емкость хранения, более низкое сопротивление и надежный срок службы на протяжении более 7500 циклов заряда-разряда. Научный сотрудник отдела физики и наук о жизни Маркус Ворсли заявил: «Настоящий прорыв заключается не в каком-то отдельном компоненте, а в интеграции».
Исследовательская группа планирует распространить эту оптимизационную структуру на такие области, как литий-ионные аккумуляторы, электромобили и инфраструктура возобновляемой энергетики.