Combinando la impresión 3D y la deposición electroquímica para la fabricación de espumas de níquel 3D a medida con una porosidad y densidad de área de superficie específica altamente competitivas
Autores: Arnet, Robin; Kesten, Oliver; El Mofid, Wassima; Sörgel, Timo
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
Categoría
Ciencias de los Materiales
Subcategoría
Materiales estructurales
Palabras clave
Baterías de iones de litio
Espumas metálicas
Recolectores de corriente
Espumas de níquel
Impresión 3D
área de superficie específica
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 2
Citaciones: Sin citaciones
Uno de los sistemas de almacenamiento de energía más prometedores y ampliamente investigados debido a su alta densidad de energía, capacidad de carga y vida útil prolongada son las baterías de iones de litio. Sin embargo, su rendimiento y eficiencia dependen en gran medida de los materiales constitutivos y el diseño, incluidos los recolectores de corriente. Un enfoque atractivo en este sentido es el uso de espumas metálicas como alternativa a los recolectores de corriente convencionales. Este concepto tiene como objetivo aumentar el área de superficie específica de los recolectores de corriente y, por lo tanto, cargar más material activo por área nominal, manteniendo al mismo tiempo las arquitecturas de las celdas simples y menos costosas. En el presente trabajo, se elige el níquel como sistema modelo para una prueba de concepto de un nuevo método de fabricación de espumas de níquel utilizando una combinación de impresión 3D, recubrimiento y galvanoplastia. El propósito es crear estructuras huecas geométricamente bien definidas con alta porosidad y densidad de área de superficie específica que puedan rivalizar y superar parcialmente las espumas de níquel disponibles comercialmente. Para ello, se utiliza una impresora 3D para crear discos abiertos de HIPS (poliestireno de alto impacto) geométricamente flexibles y bien definidos, que luego se recubren con una capa conductora a base de grafito y posteriormente se galvanizan con una capa delgada de níquel de 5-30 um a partir de un electrolito de sulfamato de níquel sin aditivos. Tras el proceso de recubrimiento, la estructura de soporte se disuelve con tolueno, lo que resulta en estructuras con una combinación única de porosidad en el rango del 92.3-99.1% y una densidad de área de superficie específica ultra alta de hasta 46 m2/kg. La caracterización morfológica mediante microscopía óptica y electrónica de barrido ha demostrado que el sustrato polimérico temporalmente requerido puede ser eliminado de manera suave y completa mediante el proceso de disolución sugerido a temperatura ambiente.
Descripción
Uno de los sistemas de almacenamiento de energía más prometedores y ampliamente investigados debido a su alta densidad de energía, capacidad de carga y vida útil prolongada son las baterías de iones de litio. Sin embargo, su rendimiento y eficiencia dependen en gran medida de los materiales constitutivos y el diseño, incluidos los recolectores de corriente. Un enfoque atractivo en este sentido es el uso de espumas metálicas como alternativa a los recolectores de corriente convencionales. Este concepto tiene como objetivo aumentar el área de superficie específica de los recolectores de corriente y, por lo tanto, cargar más material activo por área nominal, manteniendo al mismo tiempo las arquitecturas de las celdas simples y menos costosas. En el presente trabajo, se elige el níquel como sistema modelo para una prueba de concepto de un nuevo método de fabricación de espumas de níquel utilizando una combinación de impresión 3D, recubrimiento y galvanoplastia. El propósito es crear estructuras huecas geométricamente bien definidas con alta porosidad y densidad de área de superficie específica que puedan rivalizar y superar parcialmente las espumas de níquel disponibles comercialmente. Para ello, se utiliza una impresora 3D para crear discos abiertos de HIPS (poliestireno de alto impacto) geométricamente flexibles y bien definidos, que luego se recubren con una capa conductora a base de grafito y posteriormente se galvanizan con una capa delgada de níquel de 5-30 um a partir de un electrolito de sulfamato de níquel sin aditivos. Tras el proceso de recubrimiento, la estructura de soporte se disuelve con tolueno, lo que resulta en estructuras con una combinación única de porosidad en el rango del 92.3-99.1% y una densidad de área de superficie específica ultra alta de hasta 46 m2/kg. La caracterización morfológica mediante microscopía óptica y electrónica de barrido ha demostrado que el sustrato polimérico temporalmente requerido puede ser eliminado de manera suave y completa mediante el proceso de disolución sugerido a temperatura ambiente.