深圳大學(xué)陳張偉教授團(tuán)隊(duì)：3D打印網(wǎng)格狀多孔三維電極實(shí)現(xiàn)厚電極中鋰離子的快速傳輸

來源：特陶人

鋰離子電池是目前應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)能器件之一。隨著電動(dòng)汽車、移動(dòng)電子設(shè)備及工業(yè)儲(chǔ)能的快速發(fā)展，對(duì)鋰離子電池的能量密度和功率密度提出了越來越高的要求。在現(xiàn)有技術(shù)體系基礎(chǔ)上，如何進(jìn)一步比能量是鋰離子電池技術(shù)面臨的關(guān)鍵問題。鋰離子電池的核心組件包括：正極、隔膜、負(fù)極、電解液、集流體、封裝等，是典型的多組件、多材料、多功能器件，電池材料體系和電池構(gòu)型設(shè)計(jì)是影響性能的兩個(gè)關(guān)鍵方面。目前的鋰離子電池采用“薄電極+疊片/卷繞”構(gòu)型，將正極、隔膜、負(fù)極按順序疊片或卷繞成為電芯，經(jīng)封裝后獲得成品電池。集流體上活性材料的厚度不超過100μm，這種薄電極構(gòu)型需要大量的銅箔、鋁箔等集流體以及隔膜等非活性材料，導(dǎo)致電芯中活性材料的占比較低，而金屬集流體密度大，對(duì)電池的能量密度產(chǎn)生不利影響。厚電極可以減少集流體和隔膜的用量，提升活性材料占比，有利于提升電池比能量。但增加電極厚度會(huì)使鋰離子在電極中的擴(kuò)散距離增加，影響電化學(xué)反應(yīng)速率，對(duì)功率密度產(chǎn)生不利影響。

厚電極具有活性材料負(fù)載量高、比能量高等優(yōu)勢(shì)，但如何解決厚電極中鋰離子的擴(kuò)散速率是發(fā)揮厚電極優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。因此，創(chuàng)新電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化鋰離子在電極中的擴(kuò)散路徑，減小鋰離子在電極中的擴(kuò)散距離，具有重要的意義。

深圳大學(xué)陳張偉教授團(tuán)隊(duì)使用低溫直寫3D打印技術(shù)制備了網(wǎng)格狀多孔三維Li4Ti5O12負(fù)極，通過在厚電極中引入垂直貫通孔，作為鋰離子擴(kuò)散的快速通道，避免了鋰離子在迂曲厚電極中擴(kuò)散距離長(zhǎng)的難題，在厚電極中實(shí)現(xiàn)了較為優(yōu)異的電化學(xué)性能。

研究人員首先分析了傳統(tǒng)的平面電極和網(wǎng)格狀多孔三維電極中鋰離子的擴(kuò)散機(jī)制，并用COMSOL仿真軟件分析了電極結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能的影響，驗(yàn)證了垂直貫通孔對(duì)提升鋰離子擴(kuò)散速率的有效性。研究人員選擇Li4Ti5O12負(fù)極，配制了適合打印的Li4Ti5O12負(fù)極漿料，優(yōu)化打印工藝，使用低溫直寫3D打印技術(shù)制備出網(wǎng)格狀Li4Ti5O12負(fù)極，電極厚度分別達(dá)到350μm、760μm 以及1085μm，相應(yīng)的活性材料面負(fù)載量達(dá)到12.89 mg/cm2、26.36 mg/cm2以及39.44 mg/cm2，電極厚度及活性材料負(fù)載量達(dá)到傳統(tǒng)薄電極的10倍以上。當(dāng)電極厚度為1085 μm時(shí)，其比容量可達(dá)到145 mAh/g1@1.0 C，面容量密度達(dá)到5.88 mAh/cm2@1.0 C, 面能量密度達(dá)到28.95 J/cm2@1.0 C，面功率密度達(dá)到8.04 mW/cm2@1.0 C。這些結(jié)果表明：在引入垂直貫通孔的情況下，即使電極厚度大幅增加，仍然可以實(shí)現(xiàn)較為優(yōu)異的電化學(xué)性能，為高負(fù)載量、大厚度、高性能的鋰離子電池電極構(gòu)建提供一種新的技術(shù)途徑。

圖1 平面電極構(gòu)型與網(wǎng)格狀多孔三維電極構(gòu)型對(duì)比，電極中鋰離子擴(kuò)散路徑示意圖：(a) 平面電極構(gòu)型; (b) 網(wǎng)格狀多孔三維電極構(gòu)型; (c) 平面薄電極中鋰離子擴(kuò)散路徑; (d) 平面厚電極中鋰離子擴(kuò)散路徑; (e) 網(wǎng)格狀多孔三維電極中鋰離子擴(kuò)散路徑。

圖2 相同電極厚度 (0.3 mm) 下，平面電極和網(wǎng)格狀多孔三維電極的電化學(xué)性能仿真：(a) 平面厚度電極中的鋰離子擴(kuò)散路徑; (b) ~ (d) 平面電極1.0 C、2.0 C和5.0 C倍率放電結(jié)束時(shí)的鋰離子濃度分布; (e) 網(wǎng)格狀多孔三維電極中的鋰離子擴(kuò)散路徑; (f) ~ (h) 網(wǎng)格狀多孔三維電極1.0 C、2.0 C和5.0 C倍率放電結(jié)束時(shí)的鋰離子濃度分布。

圖3 低溫直寫3D打印網(wǎng)格狀Li4Ti5O12負(fù)極：(a) 打印示意圖; (b) 打印電極及其形貌; (c) ~ (d) 漿料流變性能; (e) 電極厚度與打印層數(shù)的關(guān)系; (f) ~ (g) SEM微觀形貌; (h) 電極壓縮強(qiáng)度。

圖4 3D打印網(wǎng)格狀多孔Li4Ti5O12負(fù)極的電化學(xué)性能：(a) ~ (c) 4層、8層、12層不同厚度電極的充放電曲線; (d) 倍率性能; (e) 面容量密度對(duì)比; (f) 面能量密度和功率密度Ragone圖。

論文引用信息：

LIU C, QIU Y, LIU Y, et al. Novel 3D grid porous Li4Ti5O12 thick electrodes fabricated by 3D printing for high performance lithium-ion batteries. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(2): 295-307. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0533-7

研究團(tuán)隊(duì)

第一作者：劉長(zhǎng)勇，深圳大學(xué)長(zhǎng)聘副教授、高級(jí)工程師、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，博士畢業(yè)于清華大學(xué)機(jī)械工程系。

主要從事新能源器件的增材制造以及金屬增材制造技術(shù)相關(guān)研究，主持國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省及深圳市等各級(jí)項(xiàng)目10余項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，相關(guān)成果發(fā)表在Journal of Advanced Ceramics、Additive Manufacturing、Journal of Colloid and Interface Science、Materials Today Energy、Electrochimica Acta等權(quán)威期刊，擔(dān)任國(guó)家自然科學(xué)基金同行評(píng)審專家、廣東省及深圳市科技項(xiàng)目評(píng)審專家等。

通訊作者：陳張偉，深圳大學(xué)長(zhǎng)聘教授、博導(dǎo)、優(yōu)秀學(xué)者、增材制造研究所所長(zhǎng)，增材制造學(xué)科帶頭人，連續(xù)兩年入選斯坦福-愛思唯爾全球前2%頂尖科學(xué)家 (2021、2022)。

西安交通大學(xué)和法國(guó)里昂中央理工大學(xué)雙碩士、英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院博士。至今從事3D打印研究15年。在 Prog Mater Sci、Nano Energy、Acta Mater、Addit Manuf、J Adv Ceram等知名期刊發(fā)表論文110余篇，單篇最高被引超1000次，20余篇影響因子大于10，入選ESI全球高被引和熱點(diǎn)論文4篇次。任中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造分會(huì)委員、中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)測(cè)試分會(huì)理事、第一屆中國(guó)陶瓷增材制造前沿科學(xué)家論壇創(chuàng)始主席、組織舉辦ICC8等權(quán)威國(guó)際會(huì)議中的陶瓷增材論壇并做特邀報(bào)告20余次。任SCI/EI期刊Journal of Advanced Ceramics、《無機(jī)材料學(xué)報(bào)》和《材料工程》等9家期刊編委/青年編委，以及中國(guó)、歐盟、加拿大、新加坡、瑞士、新西蘭等國(guó)家基金項(xiàng)目函評(píng)專家。獲帝國(guó)理工JKP優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)、中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)、中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)特陶分會(huì)優(yōu)青獎(jiǎng)、廣東省特支計(jì)劃高層次人才，廣東省高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才。指導(dǎo)學(xué)生獲中國(guó)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽廣東省銀獎(jiǎng)2項(xiàng)和國(guó)家銅獎(jiǎng)1項(xiàng)。研究成果獲《科技日?qǐng)?bào)》、《人民網(wǎng)》、《新華網(wǎng)》、3DPRINT、3D Printing Industry等國(guó)內(nèi)外媒體報(bào)道。