모든 고체 배터리는 새로운 유형의 배터리 기술로서 최근 몇 년 동안 광범위한 관심과 조사를 받았습니다. 기존의 액체 상태 배터리에 비해 모든 고체 배터리는 에너지 밀도가 높고 충전 및 방전 속도가 빠르며 안전 성능이 더 우수합니다.
그러나 모든 고체 상태의 배터리는 개발 과정에서 일부 어려운 문제에 직면합니다. 이 중 인터페이스 측 반응, 고체 전해질과 전극 재료 사이의 인터페이스 안정성 등 인터페이스 문제를 해결하는 것이 중요합니다. 또한 모든 솔리드 스테이트 배터리의 제조 비용과 주기 수명도 더욱 최적화하고 개선해야 합니다.
의 분야에서 3D 인쇄 기술의 적용 배터리
새로운 제조 기술인 3D 인쇄는 템플릿에 의존하지 않고 마이크로-매크로의 모양과 구조를 정확하게 제어할 수 있어 배터리의 에너지 밀도와 전력 밀도를 개선할 수 있습니다. 3D 인쇄 기술의 급속한 발전으로 점점 더 많은 연구자들이 3D 인쇄 기술을 사용하여 모든 솔리드 스테이트 배터리를 준비하고 솔리드 스테이트 배터리의 대량 생산에 더 많은 가능성을 제공하고 있습니다.
3D 인쇄 배터리 재료 및 프로세스 개요
다음과 같은 측면에서 큰 이점이 있습니다. (1) 제조에 필요한 복잡한 구조, (2) 전극 형태 및 두께 정확한 제어, (3) 높은 안정성과 안전한 작동을 위한 고체 상태의 전해질 구조 인쇄, (4) 저렴하고 환경친화적이며 작동이 쉬운 (5) 배터리와 기타 전자 제품을 직접 통합하여 장치 조립 및 포장 단계를 없애줍니다.
3D 인쇄 기술
현재 솔리드 스테이트 배터리에 사용되는 3D 인쇄 기술에는 바인더(또는 슬러리) 사출 성형, 분말 레이저 소결 기술 SLS 및 사진 경화 몰딩 SLA\DLP가 주로 포함됩니다.
접착제(또는 슬러리) 스프레이 몰딩
접착제를 현재 수집기의 전극 분말 표면에 선택적으로 분사하여 노즐을 통해 뿌린 다음 분말 재료를 결합하여 단단한 층을 형성하여 층 결합을 통해 최종적으로 3D 전극을 형성할 수 있습니다. 2~3번 앞뒤로 움직이면 얇은 전극 층을 접합할 수 있고, 다음 분말 층은 같은 재료 또는 전해액 물질일 수 있습니다. 건조한 전극이나 모든 고체 배터리의 제조를 위해 각 평면 층을 층별로 연속적으로 접합하여 어떤 형태의 전극이나 배터리도 제조할 수 있습니다.
파우더 레이저 소결 기술 SLS
SLS의 인쇄 프로세스는 고출력 레이저 빔으로 방사 소결 분말 재료를 사용하여 이루어집니다. 레이저가 조사되는 영역은 빠르게 녹아서 모양을 형성하지만, 조사되지 않은 분말은 여전히 재활용할 수 있습니다. 이러한 인쇄 플랫폼에서 여러 전극 플레이트를 제조할 수 있습니다.
이 방법은 결합재(또는 슬러리) 스프레이 성형 기술과 함께 건식 전극 제조에 사용됩니다.
UV 경화 SLA/DLP
원리는 고체 배터리의 폴리머 전해액 또는 유기 무기 혼합 전해질을 자외선이나 광표면과 방사하여 층별로 응고되어 형태를 더욱 강화시키는 것입니다. 그러나 재료가 제대로 개발되지 않아 일부 비기능성 광합체 재료를 추가해야 배터리 성능이 저하되므로 적용 범위가 제한됩니다.
3D 인쇄 솔리드 스테이트 배터리
3D 인쇄는 솔리드 스테이트 배터리를 응용할 때 유망한 기술입니다. 이 기술이 다양한 유형의 인쇄 재료를 사용할 수 있기 때문에 연구자는 전극의 3차원 구조, 전해질, 분리기 및 배터리 내 스태킹을 변경할 수 있습니다.
양극 전극 설계
3D 인쇄 기술을 사용하면 리튬 배터리를 위한 양극 전극 재료를 설계할 수 있어 2차원 전극에서 3차원 전극으로 제어 가능한 변환을 달성하고, 전극 표면 활동을 개선하고, 이온 전송 거리를 단축하고, 고부하 양극 전극 준비를 달성할 수 있습니다. 또한 양극 전극 재료의 두께를 제어할 수 있으므로 활성 물질의 품질을 조절할 수 있어 결과적으로 높은 에너지 밀도와 높은 전력 밀도 리튬 배터리의 목표를 달성할 수 있습니다.
3D 인쇄 배터리 양극 및 음극 전극
구조적 음극 전극
리튬 배터리 음극 전극을 사용할 경우, 3D 인쇄를 통해 구조화된 리튬 금속 음극 전극을 구성함으로써 전극의 특정 표면 영역을 늘리고, 투과성 전극 전체에 전체 전기장을 고르게 분산하며, 유효 전류 밀도 감소, 균일한 침착 등의 목표를 달성할 수 있습니다. 전극 볼륨 확장을 억제하여 배터리 사이클링 안정성과 안전을 개선합니다. 또한, 3D 인쇄 기술을 사용하여 제어 가능한 인쇄 재료의 형태 및 템플릿 설계를 얻을 수 있습니다. 전기화학 침착 또는 용해 방법은 금속 리튬의 증착/용해 동작을 효과적으로 제어하고, 리튬 데드라이트 성장을 억제하며, 리튬 금속 배터리의 긴 수명 주기 목표를 달성하여 배터리 단락 문제를 해결할 수 있습니다.
다이어프램/솔리드 전해 디자인
3D 인쇄 기술의 지속적인 개발을 통해 배터리의 전해질을 직접 인쇄할 수 있으므로 제조 절차, 시간 및 비용이 절감됩니다. 그러나 공기 안정성의 제한으로 인해 황화물과 할로겐의 전해질 인쇄가 적합하지 않을 수 있습니다. 따라서 폴리머 및 산화성 전해질(electrolytes)은 모든 고체 상태의 배터리에서 3D 인쇄의 가능성이 있는 고체 상태의 전해질입니다.
3D 인쇄 멤브레인은 멤브레인 구조의 합리적인 설계와 균일한 이온 유속을 달성하여 리튬 덴드라이트 형성을 줄여줍니다. 솔리드 스테이트 리튬 배터리의 이온 전도성이 높은 경우, 고체 전해질 을 양극 전극의 활성 재료에 통합해야 합니다. 이 견고한 인터페이스는 원활하고 충전 및 방전 프로세스로 인한 기하학적 변화를 충분히 충족할 수 있는 충분한 유연성을 갖추고 있어야 합니다. 3D 인쇄는 솔리드 스테이트 리튬 금속 배터리의 엄격한 솔리드-솔리드 인터페이스 요구 사항을 충족하도록 인터페이스 구조를 미세하게 최적화할 수 있습니다.
