日本實現用3D打印制造全固態電池
時間:2021-12-21 17:49來源:日經中文網 作者:綜合報道
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日本東北大學教授本間格和助教小林弘明等人開發出了用3D打印機制作全固態電池的技術。制作時使用可以自由改變硬度的材料。只需幾個小時就能制成電池，而且不必實施以往需要的高溫工序。試制出來的電池經受住了各種性能測試，具備一定性能，有望對全固態電池的早日實用化作出貢獻。
電解質是電池的主要構成部分之一，通常為液體狀態，但全固態電池的電解質為固體，發生起火事故等的危險性較小。這種電池的另外一個特點是，可通過層疊電池來增加單位體積的蓄電量。作為可延長純電動汽車（EV）續航距離的新一代電池備受期待。
開發的電解質膜具備類似軟性隱形眼鏡一樣的柔軟性（圖片由日本北東大學提供）
全固態電池的主流是把電極和電解質材料進行強力壓合，加熱到攝氏數百度后制成。但加熱工序需要花費成本，而且存在受熱開裂的情況。同時還存在課題，由于電解質較硬，正極和負極隨著充放電反復膨脹和收縮時，二者無法緊密貼合，導致電池性能變差。
研究團隊實施了面向全固態電池制作軟性電解質膜的研究。把有利于鋰離子運動的特殊液體和氧化硅混合之后，可以形成類似于軟性隱形眼鏡的玻璃膜。只要改變氧化硅的用量，就能調整柔軟度。
此次，研究團隊把電解質膜中所含的氧化硅量減少一半，使其變成凝膠狀。然后再與經過紫外線照射就會凝固的樹脂混合在一起，就可以用3D打印機塑造成型。
降低電解質中的氧化硅濃度，使電解質變為凝膠狀，通過3D打印機制造電池（圖片由日本東北大學提供）
實驗證實，通過把電解質、正極用鈷酸鋰、負極用鈦酸鋰等變成凝膠狀材料，僅靠3D打印機就能制作出電池。據稱兩個小時左右就能制造出來。
只需涂上材料，用紫外線照射即可制作，不需要高溫加熱，可以大幅削減制造成本。柔性電解質不易開裂，即使構件膨脹和收縮也能柔軟地貼合。
試制出來的電池可以穩定充放電100次以上。安全性也已通過起火測試等進行確認。本間教授表示，“只要輸入數據，大小和形狀可以隨意改變”。
實用化面臨的課題是電解質的離子電導性不夠高。由于鋰離子無法順利移動，很難瞬間釋放出巨大能量。
研究團隊將調整材料的成分，目標是提高離子電導性。利用開發的電池驅動汽車行駛的實驗已取得成功，實驗時的最高時速達到30公里。研究人員將反復進行改進，提升輸出功率，考慮將其安裝在純電動汽車上。還將大力開發能量密度高的正極材料。
首階段目標是在傳感器和可穿戴終端的電源等用途方面實現實用化。
(責任編輯：子蕊)
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