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沙粒大小微电池诞生 3D打印技术创造无限可能

http://www.kexue.com 2013-06-20 15:07:38 新华网  发表评论

  美国《高级材料》杂志18日发表报告说,美国一项研究利用3D打印技术成功制成只有沙粒大小的3D微电池。这种电池将来有望用于为微米乃至纳米器件提供能量。

  研究第一作者、美国伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校在读博士生孙苛对新华社记者说,大约10年前美国科学家提出3D微电池的概念,过去的制备方法都基于较为成熟的微电子技术以及新兴微加工技术,不仅成本较高,而且迄今没有获得理想的成果;他们则转而采用方兴未艾的3D打印技术。

  3D打印是一种快速成型技术,它以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体。

  孙苛说,这项研究的一大难点在于制造用于打印的材料,即“墨水”。3D打印机的直径只有30微米,和一根头发丝的直径差不多,这要求“墨水”具有特殊的流变学性质。一个形象的比喻就是要求“墨水”像牙膏一样能在挤压中流动,从而从针管中流出,并能在空气中迅速稳定凝固成型。此外,“墨水”的主要成分必须是可作为电极使用的活性材料。

  经过多次尝试,研究人员最终通过胶体化学方法成功将磷酸铁锂和钛酸锂两种材料分别做成“墨水”,用作电池的正极和负极。然后,他们利用3D打印技术打印出梳子状的正极和负极并将它们交错排列成一层,再层层堆积获得宽度只有40微米、而高度是宽度11倍的电极。

  孙苛说,这样打印出的电极既保证了储能材料的数量,又让正极和负极之间的距离足够短,因此封装制成的3D微电池具有快速充放电能力,其面积能量密度和功率密度在目前3D微电池领域居于前列。此外,该方法还具有简化组装过程、节省成本等优势。

  据介绍,这项工作还有一些技术难题需要解决,其中最主要的是目前还没有很好的办法在可靠封装3D微电池的同时不过分增加电池体积。但随着3D微电池这一课题开始吸引越来越多的科研力量,相信不久将会有新的概念提出来突破这一技术瓶颈。(记者林小春)

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