3D打印獲取“長續(xù)航”鋰硫電池，可推廣至其他儲能領域

來源：中國科學報

無人機、電動汽車、電動飛機等實現“長續(xù)航”，一直是人們熱切期盼的事。然而，由于缺乏具有穩(wěn)定“儲能”與“供電”能力的電源系統(tǒng)，這一期待總是會落空。值得欣慰的是，最近傳來了好消息——利用3D打印技術或可助力解決“長續(xù)航”面臨的瓶頸問題。

日前，蘇州大學能源學院教授孫靖宇與中國科學院院士、北京大學教授劉忠范團隊構建出3D打印硫正極，并獲得了具有高倍率性能和高面容量的鋰硫電池。相關技術還可推廣到其他新興的儲能設備，為發(fā)展新型、高效、規(guī)�；�的電極構筑方法提供重要借鑒。

相關研究成果近日發(fā)表在國際能源領域高水平期刊《納米能源》雜志上。

3D打印技術“加持”
3D打印技術自誕生以來，已經應用到醫(yī)療、軍工、航天、汽車、電子等各個領域。此外，其在鋰離子電池、鋰氧電池、鋅離子電池等儲能體系中也得到了初步應用。劉忠范和孫靖宇團隊長期關注并開展烯碳能源材料及應用技術研究。近年來，他們從3D打印技術中找到了新的突破思路和啟示。

孫靖宇介紹，3D打印技術具有諸多優(yōu)勢，如有助于構建具有多級孔結構的自支撐無集流體電極，并利于離子和電子的快速傳輸。3D打印技術通過控制打印層數實現控制電極材料負載量，突破了常規(guī)涂覆法制備電極的厚度限制，從而可獲得具有高單位面容量的電池系統(tǒng)。在實際應用方面，可滿足定制化和規(guī)�；瘍δ芷骷�的構筑需求。

“然而，面向能量存儲應用領域的3D打印技術目前仍存在許多關鍵瓶頸，比如電極的打印精度對設備配置提出更高的要求、打印墨汁的制備工藝亟待系統(tǒng)探索，以及缺乏規(guī)�；�印刷裝備等�！睂O靖宇說。研究人員借助3D打印技術，方便、高效、便捷地構筑了高負載硫正極。該架構具有經過優(yōu)化的離子/電子傳輸通道和充足的孔隙率，有利于對多硫化物進行高效管理。

為了更好地抑制上述所提到的“穿梭效應”，研究人員對打印墨水也有著獨特的設計。孫靖宇介紹，近年來，業(yè)界對金屬硼化物構建高性能鋰硫電池具有濃厚興趣。其中，具有類似性質的金屬性六硼化鑭（LaB6）作為一種低成本且可持續(xù)利用的化合物，已在諸多領域得到廣泛使用。

基于此，他們設計了包含硫/碳和LaB6電催化劑的混合墨汁，用于打印高性能的硫正極。金屬性LaB6電催化劑可以均勻地分布在3D打印的架構內，自發(fā)地確保有豐富的活性位點用于多硫化物的固定和轉化，從而實現高效率的放電或充電過程。

“這對多硫化物的管控起到了積極作用，更加有效地抑制‘穿梭效應’，從而獲得具有優(yōu)異性能的鋰硫電池體系。同時，也為設計鋰硫電池的正極結構和提升硫正極的反應動力學提供了新的思路與策略�！眲⒅曳侗硎�，該研究工作首次將高效電催化劑引入可打印墨汁中構建3D打印硫正極，獲得了具有高倍率性能和面容量的鋰硫電池。

邁向實用化仍有“屏障”
近年來，新技術、新方法的不斷革新，科技成果的加速轉化，推動著高性能鋰硫電池的實用化發(fā)展。陳劍團隊與依托中國科學院大連化學與物理研究所科技成果孵化的中科派思儲能技術有限公司合作生產的鋰硫電池組，目前已經在大翼展無人機、高速無人機上試飛成功。

“這一鋰硫電池的續(xù)航時間是同樣重量鋰離子電池的2.5倍�！标悇φf，未來需要進一步提高電池的循環(huán)次數，而要實現這一目標，還需要解決“穿梭效應”問題�！霸谧呦驅嵱没�和產業(yè)化進程中，鋰硫電極方面還存在諸多關鍵問題需要解決。開發(fā)3D打印自支撐結構的硫正極值得關注。”劉忠范表示。

孫靖宇補充道，除了對高載量硫電極的規(guī)�；�制備提出要求之外，還需要考慮三個方面的問題。

首先是正極碳含量。孫靖宇指出，為了解決硫的絕緣性問題，通常需要添加較多填量的導電碳來平衡，從而造成鋰硫電池體積能量密度低。因此，為了獲得高體積能量密度的鋰硫電池，需要提高硫正極的振實密度及采用少碳甚至無碳硫宿主。

其次是電解液用量。“由于硫正極的多孔性導致需要消耗大量電解液，為了獲得高能量密度的鋰硫電池，需要通過優(yōu)化正極的孔結構，降低電解液的用量。”孫靖宇說。

此外，金屬鋰負極也是關鍵問題之一，即在規(guī)模化鋰硫體系中，須采取抑制其枝晶生長策略等，保證鋰負極的安全性。

“未來，作為該研究的延伸，我們希望發(fā)展真正低碳乃至無碳、貧電解液、高載硫的鋰硫電池系統(tǒng)�！睂O靖宇說。