Исследователи из португальского Университета Минью совместно с коллегами из Баскского центра материалов BCMaterials и фонда Ikerbasque в Испании предложили усовершенствованный способ создания катодов для литий-ионных аккумуляторов. Вместо традиционного нанесения пасты на алюминиевую фольгу, известного как doctor blade, они использовали один из видов 3D-печати – прямую печать чернилами (Direct Ink Writing). Эта технология позволяет выдавливать материал через тонкое сопло и послойно формировать электрод с заданной геометрией и микроструктурой.
В ходе своего исследования ученые искали оптимальное соотношение трех ключевых компонентов катодной пасты: активного материала (литий-железо-фосфата – LiFePO₄), проводящей углеродной добавки и полимерного связующего. Активное вещество определяет емкость аккумулятора, углерод обеспечивает электронную проводимость, а полимер отвечает за прочность и стабильность структуры.
Ученые разработали несколько вариантов пасты, постепенно увеличивая долю активного вещества от 80% до 93% и одновременно уменьшая количество углерода и полимера. Это позволило оценить, как меняются текучесть пасты, однородность напечатанных электродов, их проводимость, способность быстро впитывать электролит и, что самое важное, реальные рабочие характеристики собранных аккумуляторов на разных режимах тока. Испытания показали, что все составы подходят для печати: паста разжижается под давлением в сопле, а после выхода удерживает форму.
Микроскопический анализ подтвердил, что частицы во всех образцах распределены равномерно, без слипшихся участков. Механические тесты в свою очередь показали: чем больше полимера, тем эластичнее получается катод, а чем меньше – тем он более жесткий и хрупкий. Однако наиболее важные различия проявились при сборке опытных аккумуляторов и их тестировании.
Лучшие результаты продемонстрировал состав 85/7,5/7,5: 85% активного материала и по 7,5% проводящей добавки и связующего. Такой катод обеспечил максимальную удельную емкость (150,2 мА·ч/г) при малом токе (C/8) и сохранил почти половину этой емкости (46,3% или около 70 мА·ч/г) при высокой нагрузке (2C). Катоды с меньшей долей углерода и полимера при таких условиях почти полностью теряли работоспособность. В составе с 85% LiFePO₄ удалось добиться оптимального баланса: достаточное количество углерода обеспечивало непрерывные пути для электронов, а подходящая пористость и пропитка электролитом – быстрый перенос ионов лития.
Помимо этого, ученые сравнили напечатанный катод состава 80/10/10 с его аналогом, изготовленным по технологии doctor blade. Напечатанный образец продемонстрировал более высокую емкость и лучшую стабильность, что подтверждает: Direct Ink Writing не только не уступает классическому методу, но в ряде случаев превосходит его благодаря более однородной и управляемой структуре электрода.
В завершение исследователи отмечают, что подбор состава – лишь отправная точка. Следующая цель – создание полностью напечатанных аккумуляторных ячеек, в которых катод, анод, сепаратор и даже элементы электролита формируются аддитивно. В перспективе это позволит выпускать компактные и энергоэффективные источники питания сложной формы, идеально подходящие для миниатюрной электроники и устройств IoT.
