锂电池的正极材料结构还有进步的空间吗？3D打印技术可以帮上忙
来源：宝鄂实业
2019-04-21 08:32
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长效可充电锂离子（Li-ion）电池具有高能量密度和低自放电性能，并且正在探索进入航空航天和军事应用等领域。随着能源消耗需求的增加，同时降低我们使用化石燃料的压力，我们的社会正在努力寻找制造储能设备的创新方法。
在过去，3D打印技术被用于制造锂离子电池的多孔电极，甚至是电池本身。曼彻斯特城市大学、中国中南大学和切斯特大学的一组研究人员最近发表了一篇题为“新一代增材制造：可调节石墨烯/聚乳酸（酸）丝材”的论文，该论文允许制造3D可打印多孔阳极，以便应用于锂离子电池中，“关于他们在3D打印锂离子电池中应用锂离子阳极的工作，使用定制的石墨烯/聚乳酸丝材制成，可以轻松定制石墨烯含量。
摘要中写道：“我们证明，20wt.%的石墨烯含量具有足够的导电性和关键、有效的3D打印能力，可快速制造3D打印独立阳极（3DAs）；简化了锂离子电池的组件，无需使用铜集电器。3DAs具有物理化学和电化学特征，具有足够的导电性，用于电化学研究。关键的是，研究发现如果3DAs用于锂离子电池，其比容量非常低，但通过使用化学预处理可以显著提高。这种处理引起孔隙率增加，这导致比容量（电流密度为40mAg-1时约为500mAhg-1）增加200倍（在阳极稳定之后）。这项工作显着增强了增材制造/3D打印石墨烯基能量存储设备领域，证明可以实现有用的3D可打印电池。”
许多研究人员正在研究新型纳米材料，如碳纳米管和石墨烯，用于3D打印新型储能设备，如锂基电池，因为该技术可用于创建具有大表面积的结构，这在能源能力方面很有帮助。这个特殊的团队使用FDM（基于挤出）技术，从定制的3D可打印石墨烯/聚乳酸丝材中制造出锂离子阳极。他们还进行了电化学和物理化学表征，以确保石墨烯含量得到优化，以控制其3D打印独立阳极或3DAs的导电性、电化学活性和3D可打印性。
研究人员表示，“这种方法简化了锂离子电池的组件，而不需使用铜集电器。”
该团队使用AutodeskFusion360为这项工作创建了3D打印设计，一个直径为1.0毫米的圆形圆盘电极，在190°C下使用直接驱动挤出机在ZMorph3D打印机上打印。3D可打印石墨烯/聚乳酸丝材由一系列1,5,15,20和40wt.％的石墨烯纳米片制成，其使用热重分析（TGA）进行验证。
石墨烯/聚乳酸粉末，各自的丝材和3DAs的物理化学表征和光学图像。A：热重分析，B：电阻率与石墨烯含量，C：20wt.%的透射电镜分析（TEM）分析。D：3DAs的3D打印工艺（用于电化学表征），E：拉曼（插图）和3DA的拉曼图谱。
“简而言之，含20wt.%以上的石墨烯/聚乳酸丝材的制造在均匀性、可打印性和结构完整性方面是非常脆且高度不可生产；另外，石墨烯重量百分比低于10%的丝材没有提供足够的渗透性（即高电阻率）”。研究人员写道。
“因此，我们发现15–20%是最佳重量。当我们考虑使用石墨烯纳米片时，电阻率下降，电导率增加。”
在过去，3D打印技术被用于制造锂离子电池的多孔电极，甚至是电池本身。曼彻斯特城市大学、中国中南大学和切斯特大学的一组研究人员最近发表了一篇题为“新一代增材制造：可调节石墨烯/聚乳酸（酸）丝材”的论文，该论文允许制造3D可打印多孔阳极，以便应用于锂离子电池中，“关于他们在3D打印锂离子电池中应用锂离子阳极的工作，使用定制的石墨烯/聚乳酸丝材制成，可以轻松定制石墨烯含量。
摘要中写道：“我们证明，20wt.%的石墨烯含量具有足够的导电性和关键、有效的3D打印能力，可快速制造3D打印独立阳极（3DAs）；简化了锂离子电池的组件，无需使用铜集电器。3DAs具有物理化学和电化学特征，具有足够的导电性，用于电化学研究。关键的是，研究发现如果3DAs用于锂离子电池，其比容量非常低，但通过使用化学预处理可以显著提高。这种处理引起孔隙率增加，这导致比容量（电流密度为40mAg-1时约为500mAhg-1）增加200倍（在阳极稳定之后）。这项工作显着增强了增材制造/3D打印石墨烯基能量存储设备领域，证明可以实现有用的3D可打印电池。”
许多研究人员正在研究新型纳米材料，如碳纳米管和石墨烯，用于3D打印新型储能设备，如锂基电池，因为该技术可用于创建具有大表面积的结构，这在能源能力方面很有帮助。这个特殊的团队使用FDM（基于挤出）技术，从定制的3D可打印石墨烯/聚乳酸丝材中制造出锂离子阳极。他们还进行了电化学和物理化学表征，以确保石墨烯含量得到优化，以控制其3D打印独立阳极或3DAs的导电性、电化学活性和3D可打印性。
研究人员表示，“这种方法简化了锂离子电池的组件，而不需使用铜集电器。”
该团队使用AutodeskFusion360为这项工作创建了3D打印设计，一个直径为1.0毫米的圆形圆盘电极，在190°C下使用直接驱动挤出机在ZMorph3D打印机上打印。3D可打印石墨烯/聚乳酸丝材由一系列1,5,15,20和40wt.％的石墨烯纳米片制成，其使用热重分析（TGA）进行验证。
石墨烯/聚乳酸粉末，各自的丝材和3DAs的物理化学表征和光学图像。A：热重分析，B：电阻率与石墨烯含量，C：20wt.%的透射电镜分析（TEM）分析。D：3DAs的3D打印工艺（用于电化学表征），E：拉曼（插图）和3DA的拉曼图谱。
“简而言之，含20wt.%以上的石墨烯/聚乳酸丝材的制造在均匀性、可打印性和结构完整性方面是非常脆且高度不可生产；另外，石墨烯重量百分比低于10%的丝材没有提供足够的渗透性（即高电阻率）”。研究人员写道。
“因此，我们发现15–20%是最佳重量。当我们考虑使用石墨烯纳米片时，电阻率下降，电导率增加。”
