Nhật Bản hiện thực hóa việc sử dụng in 3D để sản xuất pin trạng thái rắn
Giáo sư Honma của Đại học Tohoku và trợ lý Kobayashi Hiroaki và những người khác đã phát triển công nghệ sản xuất pin trạng thái rắn hoàn toàn bằng máy in 3D. Sử dụng vật liệu có thể tự do thay đổi độ cứng khi chế tạo. Pin có thể được sản xuất chỉ trong vài giờ mà không cần các quy trình nhiệt độ cao cần thiết trong quá khứ. Pin được sản xuất thử nghiệm đã chịu đựng được các bài kiểm tra hiệu suất khác nhau và có hiệu suất nhất định, dự kiến sẽ góp phần vào ứng dụng thực tế sớm của pin trạng thái rắn.
Chất điện phân là một trong những thành phần quan trọng của pin và thường ở trạng thái lỏng, nhưng chất điện phân của pin trạng thái rắn là rắn và nguy cơ tai nạn hỏa hoạn là nhỏ. Một tính năng khác của loại pin này là nó có thể tăng dung lượng lưu trữ trên mỗi đơn vị thể tích bằng cách xếp chồng pin. Nó rất được mong đợi như một pin thế hệ tiếp theo có thể mở rộng phạm vi bay của xe điện thuần túy (EV).
Màng điện phân phát triển có độ mềm tương tự như kính áp tròng mềm (ảnh lịch sự của Đại học Kitto, Nhật Bản)
Dòng chính của pin trạng thái rắn là ép mạnh các điện cực và vật liệu điện phân, và làm nóng chúng đến hàng trăm độ C. Tuy nhiên, quá trình sưởi ấm rất tốn kém, và có một trường hợp nứt nhiệt. Đồng thời, vẫn còn một vấn đề. Do độ cứng của chất điện phân, khi điện cực dương và điện cực âm liên tục mở rộng và co lại với sạc và xả, cả hai không thể gắn chặt, dẫn đến hiệu suất pin kém.
Nhóm nghiên cứu đã thực hiện nghiên cứu về chế tạo màng điện phân linh hoạt cho pin trạng thái rắn. Khi một chất lỏng đặc biệt tạo điều kiện cho sự chuyển động của các ion lithium được trộn với oxit silicon, một màng thủy tinh tương tự như kính áp tròng mềm có thể được hình thành. Độ mềm có thể được điều chỉnh đơn giản bằng cách thay đổi lượng silica.
Lần này, nhóm nghiên cứu đã giảm một nửa lượng oxit silicon có trong màng điện giải, làm cho nó giống như gel. Sau đó, nó được trộn với một loại nhựa đông cứng khi tiếp xúc với ánh sáng cực tím và có thể được định hình bằng máy in 3D.
Giảm nồng độ oxit silicon trong chất điện phân để làm cho gel điện giải giống như, và sản xuất pin thông qua máy in 3D (hình ảnh lịch sự của Đại học Tohoku, Nhật Bản)
Các thí nghiệm đã xác nhận rằng bằng cách thay đổi chất điện phân, lithium cobalt oxide cho điện cực dương, lithium titanate cho điện cực âm, v.v. thành các vật liệu giống như gel, pin có thể được làm bằng máy in 3D một mình. Người ta nói rằng nó có thể được sản xuất trong khoảng hai giờ.
Nó có thể được thực hiện bằng cách chỉ cần phủ vật liệu và chiếu xạ nó bằng tia cực tím mà không cần sưởi ấm ở nhiệt độ cao, điều này có thể làm giảm đáng kể chi phí sản xuất. Chất điện phân linh hoạt ít bị nứt và vừa vặn ngay cả khi thành viên mở rộng và co lại.
Pin được sản xuất thử nghiệm có thể được sạc ổn định và xả trong hơn 100 lần. An toàn cũng đã được xác nhận bằng các thử nghiệm hỏa hoạn, v.v. Giáo sư Honma nói: "Miễn là dữ liệu được nhập vào, kích thước và hình dạng có thể được thay đổi theo ý muốn".
Vấn đề phải đối mặt với ứng dụng thực tế là độ dẫn ion của chất điện phân không đủ cao. Vì các ion lithium không thể di chuyển trơn tru, rất khó để giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ ngay lập tức.
Nhóm nghiên cứu sẽ điều chỉnh thành phần của vật liệu với mục tiêu cải thiện độ dẫn ion. Các thử nghiệm với chiếc xe chạy bằng pin được phát triển đã thành công, đạt tốc độ tối đa 30 km mỗi giờ. Các nhà nghiên cứu sẽ thực hiện các cải tiến lặp đi lặp lại để tăng công suất đầu ra và xem xét cài đặt nó trên xe điện thuần túy. Chúng tôi cũng sẽ phát triển mạnh mẽ vật liệu cathode với mật độ năng lượng cao.
Mục tiêu của giai đoạn đầu tiên là thực hiện ứng dụng thực tế trong việc cung cấp năng lượng của các cảm biến và thiết bị đầu cuối có thể đeo được.
