鋰電池的正極材料結(jié)構(gòu)還有進(jìn)步的空間嗎？3D打印技術(shù)可以幫上忙
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-21 08:32
點擊量：次
長效可充電鋰離子（Li-ion）電池具有高能量密度和低自放電性能，并且正在探索進(jìn)入航空航天和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。隨著能源消耗需求的增加，同時降低我們使用化石燃料的壓力，我們的社會正在努力尋找制造儲能設(shè)備的創(chuàng)新方法。
在過去，3D打印技術(shù)被用于制造鋰離子電池的多孔電極，甚至是電池本身。曼徹斯特城市大學(xué)、中國中南大學(xué)和切斯特大學(xué)的一組研究人員最近發(fā)表了一篇題為“新一代增材制造：可調(diào)節(jié)石墨烯/聚乳酸（酸）絲材”的論文，該論文允許制造3D可打印多孔陽極，以便應(yīng)用于鋰離子電池中，“關(guān)于他們在3D打印鋰離子電池中應(yīng)用鋰離子陽極的工作，使用定制的石墨烯/聚乳酸絲材制成，可以輕松定制石墨烯含量。
摘要中寫道：“我們證明，20wt.%的石墨烯含量具有足夠的導(dǎo)電性和關(guān)鍵、有效的3D打印能力，可快速制造3D打印獨立陽極（3DAs）；簡化了鋰離子電池的組件，無需使用銅集電器。3DAs具有物理化學(xué)和電化學(xué)特征，具有足夠的導(dǎo)電性，用于電化學(xué)研究。關(guān)鍵的是，研究發(fā)現(xiàn)如果3DAs用于鋰離子電池，其比容量非常低，但通過使用化學(xué)預(yù)處理可以顯著提高。這種處理引起孔隙率增加，這導(dǎo)致比容量（電流密度為40mAg-1時約為500mAhg-1）增加200倍（在陽極穩(wěn)定之后）。這項工作顯著增強了增材制造/3D打印石墨烯基能量存儲設(shè)備領(lǐng)域，證明可以實現(xiàn)有用的3D可打印電池。”
許多研究人員正在研究新型納米材料，如碳納米管和石墨烯，用于3D打印新型儲能設(shè)備，如鋰基電池，因為該技術(shù)可用于創(chuàng)建具有大表面積的結(jié)構(gòu)，這在能源能力方面很有幫助。這個特殊的團(tuán)隊使用FDM（基于擠出）技術(shù)，從定制的3D可打印石墨烯/聚乳酸絲材中制造出鋰離子陽極。他們還進(jìn)行了電化學(xué)和物理化學(xué)表征，以確保石墨烯含量得到優(yōu)化，以控制其3D打印獨立陽極或3DAs的導(dǎo)電性、電化學(xué)活性和3D可打印性。
研究人員表示，“這種方法簡化了鋰離子電池的組件，而不需使用銅集電器。”
該團(tuán)隊使用AutodeskFusion360為這項工作創(chuàng)建了3D打印設(shè)計，一個直徑為1.0毫米的圓形圓盤電極，在190°C下使用直接驅(qū)動擠出機(jī)在ZMorph3D打印機(jī)上打印。3D可打印石墨烯/聚乳酸絲材由一系列1,5,15,20和40wt.％的石墨烯納米片制成，其使用熱重分析（TGA）進(jìn)行驗證。
石墨烯/聚乳酸粉末，各自的絲材和3DAs的物理化學(xué)表征和光學(xué)圖像。A：熱重分析，B：電阻率與石墨烯含量，C：20wt.%的透射電鏡分析（TEM）分析。D：3DAs的3D打印工藝（用于電化學(xué)表征），E：拉曼（插圖）和3DA的拉曼圖譜。
“簡而言之，含20wt.%以上的石墨烯/聚乳酸絲材的制造在均勻性、可打印性和結(jié)構(gòu)完整性方面是非常脆且高度不可生產(chǎn)；另外，石墨烯重量百分比低于10%的絲材沒有提供足夠的滲透性（即高電阻率）”。研究人員寫道。
“因此，我們發(fā)現(xiàn)15–20%是最佳重量。當(dāng)我們考慮使用石墨烯納米片時，電阻率下降，電導(dǎo)率增加。”
在過去，3D打印技術(shù)被用于制造鋰離子電池的多孔電極，甚至是電池本身。曼徹斯特城市大學(xué)、中國中南大學(xué)和切斯特大學(xué)的一組研究人員最近發(fā)表了一篇題為“新一代增材制造：可調(diào)節(jié)石墨烯/聚乳酸（酸）絲材”的論文，該論文允許制造3D可打印多孔陽極，以便應(yīng)用于鋰離子電池中，“關(guān)于他們在3D打印鋰離子電池中應(yīng)用鋰離子陽極的工作，使用定制的石墨烯/聚乳酸絲材制成，可以輕松定制石墨烯含量。
摘要中寫道：“我們證明，20wt.%的石墨烯含量具有足夠的導(dǎo)電性和關(guān)鍵、有效的3D打印能力，可快速制造3D打印獨立陽極（3DAs）；簡化了鋰離子電池的組件，無需使用銅集電器。3DAs具有物理化學(xué)和電化學(xué)特征，具有足夠的導(dǎo)電性，用于電化學(xué)研究。關(guān)鍵的是，研究發(fā)現(xiàn)如果3DAs用于鋰離子電池，其比容量非常低，但通過使用化學(xué)預(yù)處理可以顯著提高。這種處理引起孔隙率增加，這導(dǎo)致比容量（電流密度為40mAg-1時約為500mAhg-1）增加200倍（在陽極穩(wěn)定之后）。這項工作顯著增強了增材制造/3D打印石墨烯基能量存儲設(shè)備領(lǐng)域，證明可以實現(xiàn)有用的3D可打印電池。”
許多研究人員正在研究新型納米材料，如碳納米管和石墨烯，用于3D打印新型儲能設(shè)備，如鋰基電池，因為該技術(shù)可用于創(chuàng)建具有大表面積的結(jié)構(gòu)，這在能源能力方面很有幫助。這個特殊的團(tuán)隊使用FDM（基于擠出）技術(shù)，從定制的3D可打印石墨烯/聚乳酸絲材中制造出鋰離子陽極。他們還進(jìn)行了電化學(xué)和物理化學(xué)表征，以確保石墨烯含量得到優(yōu)化，以控制其3D打印獨立陽極或3DAs的導(dǎo)電性、電化學(xué)活性和3D可打印性。
研究人員表示，“這種方法簡化了鋰離子電池的組件，而不需使用銅集電器。”
該團(tuán)隊使用AutodeskFusion360為這項工作創(chuàng)建了3D打印設(shè)計，一個直徑為1.0毫米的圓形圓盤電極，在190°C下使用直接驅(qū)動擠出機(jī)在ZMorph3D打印機(jī)上打印。3D可打印石墨烯/聚乳酸絲材由一系列1,5,15,20和40wt.％的石墨烯納米片制成，其使用熱重分析（TGA）進(jìn)行驗證。
石墨烯/聚乳酸粉末，各自的絲材和3DAs的物理化學(xué)表征和光學(xué)圖像。A：熱重分析，B：電阻率與石墨烯含量，C：20wt.%的透射電鏡分析（TEM）分析。D：3DAs的3D打印工藝（用于電化學(xué)表征），E：拉曼（插圖）和3DA的拉曼圖譜。
“簡而言之，含20wt.%以上的石墨烯/聚乳酸絲材的制造在均勻性、可打印性和結(jié)構(gòu)完整性方面是非常脆且高度不可生產(chǎn)；另外，石墨烯重量百分比低于10%的絲材沒有提供足夠的滲透性（即高電阻率）”。研究人員寫道。
“因此，我們發(fā)現(xiàn)15–20%是最佳重量。當(dāng)我們考慮使用石墨烯納米片時，電阻率下降，電導(dǎo)率增加。”
