Additive manufacturing technologies for lithium-ion battery design

Abstract

The purpose of this thesis is to identify the most potential processes and materials for additive manufacturing (AM) of electrodes and solid electrolytes for lithium-ion batteries (LIBs) as well as detect possible problems with the techniques and materials. This thesis is a literary review, which is based on peer-reviewed articles.

The increase in the percentage of intermittent renewable energy in energy production has increased the need for efficient energy storage devices, such as LIBs. LIBs have high energy density and high voltage, which means that they are lightweight compared to other types of rechargeable batteries of the same voltage. AM is considered for manufacturing LIBs because it could enable fewer production steps, minimise waste production, maximise the use of materials and improve electrochemical performances.

The materials used in AM processes often have low ionic and electric conductivities, which are crucial for the electrochemical performance of LIBs. The conductivities can be increased by adding conductive and porous additives to the printing materials, though active material and additives often affect the rheological and mechanical properties of the printing material and thus printability. Hence, the main challenge of fabricating LIBs via AM is maximizing the content of active and conductive materials in feed material whilst ensuring printability.

All of the AM technologies discussed in this thesis had their advantages and challenges with AM of LIBs and LIB components. Thus, none of the AM technologies was found to be superior to the others. More research is needed on the fabrication of solid electrolytes and high-capacity electrode materials for LIBs via AM technologies.

Tämän tutkielman tarkoituksena on tunnistaa potentiaalisimmat prosessit ja materiaalit litiumioniakkujen (lithium-ion battery, LIB) elektrodien ja kiinteiden elektrolyyttien materiaalia lisäävään valmistukseen (additive manufacturing, AM), eli 3D-tulostukseen, sekä havaita mahdolliset ongelmat tekniikoissa ja materiaaleissa. Tämä tutkielma on kirjallisuuskatsaus, joka perustuu vertaisarvioituihin artikkeleihin.

Epäsäännöllisen uusiutuvan energian osuuden kasvu energiantuotannossa on lisännyt tarvetta tehokkaille energianvarastointitavoille, kuten LIB:ille. LIB:illä on korkea energiatiheys ja korkea jännite, mikä tarkoittaa, että ne ovat kevyempiä kuin saman jännitteen akkutyypit. AM:ää harkitaan LIB:ien valmistuksessa, koska se voisi mahdollistaa vähemmän tuotantovaiheita, minimoida jätteen syntymistä, maksimoida materiaalien käyttöä ja parantaa akun sähkökemiallista suorituskykyä.

AM-prosesseissa käytetyillä materiaaleilla on usein alhainen ioni- ja sähkönjohtavuus, jotka ovat ratkaisevia ominaisuuksia LIB:ien sähkökemiallisen suorituskyvyn kannalta. Tulostusmateriaalien johtokykyä voidaan lisätä johtavilla ja huokoisilla lisäaineilla. Toisaalta aktiivinen materiaali ja lisäaineet vaikuttavat usein tulostusmateriaalien reologisiin ja mekaanisiin ominaisuuksiin ja siten tulostettavuuteen. Tästä syystä suurin haaste LIB:ien valmistuksessa AM-tekniikoilla on aktiivisen ja johtavien materiaalien pitoisuuksien maksimointi tulostusmateriaaleissa ja samalla tulostettavuuden varmistaminen.

Kaikissa tässä tutkielmassa käsitellyissä AM-tekniikoissa oli etunsa ja haasteensa LIB:ien ja LIB-komponenttien valmistuksessa. Täten minkään AM-tekniikan ei havaittu olevan muita parempi. Lisää tutkimusta tarvitaan LIB:ien kiinteiden elektrolyyttien ja suurikapasiteettisten elektrodimateriaalien valmistamisesta AM-tekniikoilla.