天津工业大学徐志伟教授在《Journal of Materials Chemistry A》发表3D打印技术在锂电池电极和电解液上的研究进展

Lv.3

任务小子

　　随着移动电子技术的快速发展和广泛普及，对高能量密度、高性价比储能设备的需求日益增加。近年来，为了提高锂电电化学性能，降低制造成本，扩大应用范围，人们不断探索有前景的电极材料、电解质、新型结构和新型制造方法。对于锂电池来说，电极和电解液的几何结构和电化学性质很大程度的影响了电池的能量密度和功率密度。

　　最近，3D打印越来越多地用于制造锂电池的电极和电解质。与传统的锂电池制造技术相比，该技术可以更灵活、更精确地制造复杂形状。同时，3D打印技术可以使用更少的时间和材料来制造电极。因此，了解3D打印用于制造电极和电解质背后的逻辑对于更好地通过3D打印制备高性能锂电池具有深刻意义。

　　文章简介

　　基于此，来自天津工业大学的徐志伟教授，在国际知名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上发表题为“3D Printing of Advanced Lithium Batteries: A Designing Strategy of Electrode/Electrolyte Architectures”的综述文章。

　　该综述总结了近期几种常用的3D打印技术在锂电池（锂离子电池和锂金属电池）电极和电解液上的研究进展，并且着重解释了使用不同的3D打印技术来制造锂电池电极和电解液背后的原因。

　　图1. 3D打印技术在锂电池中的主要应用。

　　文章要点

　　要点一：常见的四种3D打印技术

　　3D打印是一种创新的制造方法，可以从纳米尺度到宏观尺度控制电极和电解质的结构和几何形状，从而提高锂电池的电化学性能。然而，并不是所有的3D打印技术和材料都适合于制造打印锂电池。加深对不同3D打印技术的打印工艺和特点的了解，为进一步的材料设计和技术开发提供依据。

　　该综述重点对目前用于锂电池电极和电解质制造的四种主流3D打印技术进行了定性比较，包括喷墨打印(IJP)、直接油墨书写（DIW）、熔融沉积建模打印（FDM）、立体光刻打印（SLA）。

　　与传统的锂电池制造技术相比，3D打印技术有一些特殊的优势:

　　1)控制电极的几何结构和厚度;

　　2)使制备物具有固体电解质和电极的结构稳定性;

　　3)电池组装过程中直接制造组件的潜力；

　　4)低成本和技术简单。3D打印制备的3D电极具有更大的比表面积，可以提供更短的离子传输距离和更高的活性材料质量负载。与此同时，3D打印技术可以使用更少的时间和材料来制造电极和电解质。

　　要点二：3D打印锂电池电极

　　在锂离子电池中，活性物质的反应程度和反应速率会影响电池的能量密度和功率密度。对于薄膜电极，锂离子很容易被输送到电极中，可以促进活性物质与锂离子的充分反应。不幸的是，随着电极厚度的增加，电池的体积能量密度降低。

　　此外，电极的电子传递距离和整体阻抗会增加，这也会降低电池的功率密度。对于Li-air和Li-S电池，由于循环性能较差，电化学性能不稳定，锂空气和锂硫电池的实际放电容量仍远低于理论值。在阴极上，放电产物有许多缺点，如离子和电解质的电导率低，体积变化显著，以及低面积质量负载。不可控制的锂枝晶生长已经导致负极严重的安全问题和低库仑效率。

　　3D打印设计的三维多孔电极可以解决这些问题。对于锂离子电池，3D结构的打印电极将增加活性物质的负载，同时保持离子的快速扩散，从而增加电池的能量和功率密度。对于锂金属电池，3D打印的具有很大的优势。在锂金属负极上，打印的支架可以具有良好的锂亲和力，3D打印结构可以具有超高的比表面积，以降低局部电流密度，并有足够的电活性位点来均匀化锂离子通量。

　　最后，3D打印结构可以形成大孔隙来沉积大量金属锂，并限制锂的体积膨胀。对于硫和空气阴极，大的开孔可以促进物质(Li+、e-、O2、CO2)的连续扩散，并容纳大量中间产物。

　　要点三：3D打印锂电池电解质

　　与电极一样，电解液也是锂离子电池的重要组成部分，对电池的电化学性能、循环寿命和安全性起着重要的作用。因此，设计高离子电导率、低电导率、低活化能的高性能电解质十分必要。随着3D打印技术的发展，电解液也可以直接打印，3D打印技术在制造锂电池电解液时可以精确控制电解液的组合几何形状，从而保证最小电阻，降低界面阻抗，提高离子导电性。

　　要点四：展望

　　(1)对于可打印材料，目前锂离子电池上使用的打印材料很多，但用于锂电池制造的可打印活性材料还有待开发。将这些新型活性材料用于生产可打印油墨或灯丝，从而实现锂电池的商业化3D打印。这些活性材料应满足印刷要求，不含任何聚合物和粘合剂，成本低，生产工艺简单。同时，活性材料具有较高的能量密度和电化学活性，加工后的3D打印电极应不会因单一成分而产生机械强度低的问题。

　　(2)对于3D打印技术，有必要开发高分辨率DIW打印技术。除DIW外，锂电池领域还需要进一步探索IJP、FDM、SLA等三种打印技术。目前，这些技术不适合加工高精度、复杂结构的打印锂电池。因此，有必要降低印刷成本，开发与之配套的可印刷材料，以促进这些印刷技术的商业化生产。

　　(3)对于3D打印电极的结构设计，3D打印技术可以设计宏观和微观(亚微米或微米分辨率)的三维结构，纳米级的高精度设计需要材料加工来实现。因此，开发可与3D打印结合使用的打印技术非常重要。如物理耦合控制、高精度刻蚀技术、纳米级沉积技术等。

　　(4)对于3D打印电解质，目前的研究多为印刷固体电解质，但大多数工作都是关于降低固-固界面阻抗和提高离子电导率。从实际应用的角度来看，电极与电解液界面的无缝连接、梯度电极与电解液的结合等工作还有待开发。

　　文章链接

　　3D Printing of Advanced Lithium Batteries: A Designing Strategy of Electrode/Electrolyte Architectures”

　　https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta06683h

　　通讯作者简介

　　徐志伟教授.

　　天津工业大学纺织科学与工程学院教授、博士生导师、天津市“131”第一层次人选。先后参加完成了863计划课题、国家自然基金重点和国防预研等多项科研项目，主持国家自然基金和省部级项目10余项；迄今已在ACS nano、Energy Storage Materials等高影响力杂志发表论文170余篇，引用近4000余次，h因子36；获得授权国家发明专利15项；获得省部级科技进步奖5项。研究领域包括碳纤维复合材料界面结构调控、碳基混合基质分离膜制备以及碳基离子电池负极材料的结构设计及其电化学性能研究。

　　来源: ｜锂电联盟会长 ID：Recycle-Li-Battery

　　第一作者：裴梦凡

　　通讯作者：徐志伟

　　单位：天津工业大学

　　第一作者简介

　　裴梦凡天津工业大学纺织科学与工程学院硕士研究生.

　　硕士期间的主要研究方向为3D打印纳米材料在锂金属电池负极上的应用与研究。