Advanced Materials Technologies: 3D打印构筑立体电极:提高微型锂电池能量密度的新方法

近年来,微机电系统、移动式电子设备及可穿戴电子设备迅猛发展,给人们的生活带来极大的便利。目前这些电子设备面临最大的问题就是电池续航能力不足,现如今商业化的微型锂离子电池主要采用薄膜三明治结构,其面容量很低,而微型锂离子电池在微小型电子设备中占据的面积十分有限,这就导致电池无法提供充足的能量供给电子设备,极大阻碍微小型电子设备的进一步发展。平面结构的电池并不能最大化利用一些微小型电子设备的内部空间,复杂形状的三维电池更适合嵌入在这些设备中,以充分利用其空间,最大化的增大电池的能量密度,有效延长续航能力。但就目前的技术而言,高精度地制造具备特定形状结构的微型锂离子电池尚且难以实现。模板法是实验室最常见的制备三维微型锂离子电池的方法,但其过程复杂,涉及到多步模板制备、移除,成本昂贵,并不具备商业化潜质。3D打印是一种新兴的增材制造技术,因其高精度、数字化的便捷制造方式,已被广泛应用在多个制造领域。在众多的3D打印技术中,最受欢迎的莫过于直写式打印,该技术材料适用性广、过程简单、成本低廉。将3D直写式打印运用到微型锂离子电池的制造中,有望便捷地制备出具备特定形状结构和优异电化学性能的微型锂离子电池。

近日,中南大学粉末冶金国家重点实验室陈立宝课题组采用3D直写式打印技术构筑微型电极,并组装成全电池,展现出优良的电化学性能。3D直写式打印技术的关键是配置具备高剪切稀薄特性、高弹性模量的墨水。该组研究人员精心配置了一种新型墨水,该墨水以磷酸铁锂和钛酸锂为电极材料,碳纳米管为导电剂,通过添加适量的羧甲基纤维素钠并控制墨水固含量来调控墨水的流变性能,因水是唯一的溶剂,使得该墨水绿色环保。通过3D直写打印,该墨水能够构建任意形状的微型电极,且强度良好。研究人员设计了具有周期性排布孔隙的微型网格电极,厚度和孔隙大小可通过调整直写针头内径大小及打印电极层数来实现灵活控制。实验发现,在负载更大的情况下,打印电池的循环寿命和大功率放电性能要优于采用涂布技术的电池。3D打印电极内部具有多级孔结构,这促进了电解液的渗透,加快了锂离子的传输。与此同时,碳纳米管在打印过程中能在整个电极中形成完善的导电网络,给电子的快速传递提供高速通道。因而3D打印电池获得优异的电化学性能。在负载高达32 mg/cm-2的情况下,打印电极实现了超高面容量5 mAh/cm-2。这意味着能通过3D打印技术制备具备复杂形状结构、能与微小型电子设备形状完美契合的三维电池,充分利用设备的内部空间,即使微型电池只能占据狭小的面积,也能延长续航时间。

相关论文发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201800402),陈立宝教授为通讯作者,硕士研究生周林为第一作者。